KR20170003550A - A composite material - Google Patents

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KR20170003550A
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KR1020167030408A
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이안 왈터스
딜란 왈터스
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퍼펫투스 리서치 & 디벨롭먼트 리미티드
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Abstract

실질적으로 분리되고 별개인 제1 및 제2 흑연계 물질(2, 3)을 포함하는 전극(51) 요소로 사용하기 위한 복합 재료(1)가 개시된다. 상기 제1 흑연계 물질(2)은 상기 제2 흑연계 물질(3)로부터 이격되어 있고 층간삽입에 의해 데코레이트(6)가 상기 제1 및 제2 흑연계 물질(2, 3) 사이의 공간(4)에 배치되어 있다.A composite material (1) for use as an electrode (51) element comprising substantially separate and distinct first and second graphite materials (2, 3) is disclosed. Wherein the first graphite-based material (2) is spaced from the second graphite-based material (3) and the decorate (6) is interposed between the first graphite- (4).

Description

복합 재료 {A COMPOSITE MATERIAL}A COMPOSITE MATERIAL < RTI ID = 0.0 >

본 발명은 복합 재료에 관한 것으로, 특히 리튬 이온 충전지의 전극들로 사용하기 위한 나노-복합 재료에 관한 것이다.The present invention relates to a composite material, and more particularly to a nano-composite material for use as electrodes of a lithium ion rechargeable battery.

리튬 이온 충전지들은 하이브리드 전기 자동차, 모바일 폰 및 랩-탑 컴퓨터를 포함하는 많은 전기적 어플리케이션들을 위한 바람직한 에너지원이 되는 것으로 여겨진다. 이들은 하나 이상의 전기화학적 셀들을 갖는데, 각각의 셀은 전해질, 양극(애노드) 및 음극(캐소드)를 포함한다. 방전(또는 에너지 소모) 동안, 전기화학적 반응이 두 전극들에서 발생하는데, 리튬 이온은 애노드로부터 전해질을 통하여 캐소드로 보내지고, 이에 의해 외부 회로를 통한 전자의 흐름을 생성한다. 반응은 가역적이어서, 전극들에 대한 외부 전압의 인가에 의해 배터리가 충전되는 것을 가능하게 하며, 이에 의해 화학적 에너지의 형태로 전기를 저장한다. 전통적인 리튬 이온 전지는 (얼마나 많은 리튬 이온이 애노드 또는 캐소드에 채워질 수 있는지와 라이프 사이클에 관련된) 에너지 밀도를 고려할 때 현재 기대를 충족시키는 것에 실패하고 있다. 이 실패는 일반적으로 요구되는 높은 에너지 밀도를 전달하는데 실패하는 전지 캐소드의 사용에 의해 대부분 야기된다. 또한, 전지 충전율은 리튬 이온이 전해질을 통하여 애노드로 이동할 수 있는 속도 및 전극으로 사용되는 탄소계 물질의 모폴로지에 의해 제한된다. 예를 들어, 물질이 견고하게 팩킹된 시트들의 층으로 형성되는 흑연이라면, 충전 과정동안 리튬 이온이 캐소드로 이온의 전달에 앞서 그래핀 시트들의 외부 에지들로 이동할 것이 요구된다. 이는 이온성 정체(ionic log jam)의 발생을 가져온다.Lithium ion rechargeable batteries are believed to be a desirable energy source for many electrical applications, including hybrid electric vehicles, mobile phones and lab-top computers. They have one or more electrochemical cells, each cell comprising an electrolyte, a cathode (anode) and a cathode (cathode). During discharge (or energy consumption), an electrochemical reaction occurs at both electrodes, where lithium ions are sent from the anode through the electrolyte to the cathode, thereby creating a flow of electrons through the external circuit. The reaction is reversible, allowing the battery to be charged by application of an external voltage to the electrodes, thereby storing electricity in the form of chemical energy. Traditional lithium ion batteries fail to meet current expectations when considering the energy density (how much lithium ions can be charged into the anode or cathode and life cycle). This failure is most often caused by the use of battery cathodes that fail to deliver the required high energy density. In addition, the cell filling rate is limited by the rate at which lithium ions can migrate to the anode through the electrolyte and the morphology of the carbon-based material used as the electrode. For example, if the material is graphite formed of a layer of rigidly packed sheets, it is required that lithium ions migrate to the outer edges of the graphene sheets prior to ion transfer to the cathode during the charging process. This results in the generation of ionic log jams.

전통적인 캐소드 물질은 리튬 철 포스페이트, 리튬 코발트 산화물, 리튬 망간 산화물, 니켈을 포함하는 리튬 산화물 및 리튬 바나듐 산화물을 포함한다. 그러나, 1675mAh/g의 바람직한 높은 이론적 용량 때문에 황이 리튬-이온 전지를 위한 요소 도전자로서 고려되어 왔다. 유감스럽게도 존재하는 Li-황 구성은 2가지 이유에 대하여 만족스럽지 못한 것으로 드러났다. 첫째로, 높은 이론적 용량에도 불구하고, 황은 매우 낮은 전기 전도도를 나타낸다. 둘째로, 폴리설파이드 셔틀 현상은 황 캐소드의 효율을 제한한다. 폴리설파이드 셔틀 현상은 전지의 사이클동안 폴리설파이드 음이온의 높은 용해성에 의해 야기된다. 이것은 전지 용량 및 라이프 사이클의 빠른 붕괴로 이어진다.Conventional cathode materials include lithium iron phosphate, lithium cobalt oxide, lithium manganese oxide, lithium oxide including nickel and lithium vanadium oxide. However, because of the desirable high theoretical capacity of 1675 mAh / g, sulfur has been considered as a factor challenger for lithium-ion batteries. Regrettably, the existing Li-sulfur configuration turned out to be unsatisfactory for two reasons. First, despite high theoretical capacity, sulfur exhibits very low electrical conductivity. Second, the polysulfide shuttle phenomenon limits the efficiency of the sulfur cathode. The polysulfide shuttle phenomenon is caused by the high solubility of polysulfide anions during the cycle of the cell. This leads to a rapid decline in battery capacity and life cycle.

황 캐소드의 전도성을 향상시키기 위한 시도에서 다양한 해결책이 알려져 있다. 예를 들어, 카본이나 설포네이티드 폴리스티렌과 같은 전도성 고분자, 또는 다른 전도성 채널과 함께 캐소드 내에 황의 결합이 시도되었다. 그러나 알려진 어떠한 전도성 매체도 폴리설파이드 전달에 의해 야기되는 좋지 않은 효과를 개선하는 것을 증명하지 못하였다. 시도된 다른 해결책들은 황 전극의 전기화학적 성능을 향상시키는 것을 기초로 하는 것이 대부분이고 금속 산화물의 포함에 의해 캐소드 내에 폴리설파이드를 고정하는 것을 고려한다. 전해질 개질 및 첨가제의 사용 또한 다양한 성공과 함께 적용되었다. Various solutions are known in an attempt to improve the conductivity of sulfur cathodes. For example, bonding of sulfur within the cathode with a conducting polymer such as carbon or a sulfonated polystyrene, or other conductive channel, has been attempted. However, none of the known conductive media have proven to improve the undesirable effects caused by polysulfide delivery. Other solutions attempted are mostly based on improving the electrochemical performance of the sulfur electrode and consider incorporating the polysulfide in the cathode by the inclusion of a metal oxide. The use of electrolyte reforming and additives has also been applied with various successes.

또한, 리튬 이온 전지의 특성을 최적화하기 위해 애노드의 최적화가 중요한 고려 사항이다. 예를 들어, 애노드는 탄소층을 이용하여 생성되고, 가장 인기있는 물질은 흑연이다. 흑연은 6개의 탄소 원자들에 대해 하나의 리튬 원자를 수용하지만, 실리콘의 포함은 실리콘이 더 많은 리튬 이온(즉, 실리콘 원자당 4개의 리튬 원소)을 수용할 수 있기 때문에 애노드의 에너지 밀도를 향상시킨다. 그러나, 실리콘이 데코레이트된 애노드를 결합한 리튬 이온전지를 충전할 때, 실리콘은 리튬 이온의 삽입 상의 인상적인 부피 증가를 겪는다. 방전에 따라 리튬은 실리콘으로부터 빠져나오고 실리콘은 작은 사이즈로 복귀한다. 실리콘 전극은 충전시에 방전된 상태에 있는 크기의 3배 이상 팽창할 수 있다. 전극에서 실리콘의 반복되는 팽창 및 수축은 실리콘 상에 큰 스트레인이 발생하고, 실리콘을 깨지게 하거나 미분화하는 것을 야기한다. 이는 실리콘 조각들의 전기적 절연으로 이어져 애노드의 전도성의 감소를 야기한다. 결과는 실리콘계 애노드의 짧은 충전-방전 사이클이다. 이러한 문제점을 극복하기 위해, 실리콘의 팽창 및 수축에 의해 야기되는 스트레인을 최소화하도록 신중하게 디자인된 실리콘 구조에 대하여 알려져 있다. 예를 들어 실리콘의 팽창 및 수축을 위한 공간을 제공하는 것을 가능하게 하는 불연속적인 층을 생성하기 위한 캡슐을 이용하는 것이 알려져 있다. 또한, 얇은 실리콘층이 크래킹을 통해 더 작은 데미지를 겪기 때문에 얇은 실리콘층이 두꺼운 층보다 더 효과적이라는 것이 발견되었다. 그러나, 모든 경우에서 실리콘층은 전해질에 노출되고 리튬 화합물이 노출된 Si 표면을 형성한다. 충전 및 방전 사이클링은 이후 작은 크랙이 발생되는 것을 야기하고 더 많은 실리콘이 노출된다. 피부층을 형성하는 리튬 화합물은 절연성이고 더 많은 실리콘이 노출됨에 따라, 애노드 용량 및 사이클 용량은 감소된다. 이 문제를 극복하기 위해, 리튬의 통로를 허용하는 보호층이 실행되었으나, 전해질에 대한 실리콘의 접촉을 억제한다. 그러나, 이는 애노드의 추가 보호층을 구비하여 애노드의 충전 특성에 악영향을 가질 수 있다. 이는 비표면적의 감소를 포함하는데, 전지의 전극의 비표면적은 전극의 비용량에 직접 관련된다. 또한 바인더층은 일반적으로 절연 특성을 가져, 증가된 내부 저항으로 이어지고, 출력 전압과 함께, 전극과 관련된 파워 밀도가 감소되는 것을 야기하는 열 증대를 발생시킨다.In addition, optimization of the anode is an important consideration in order to optimize the characteristics of the lithium ion battery. For example, the anode is made using a carbon layer, the most popular being graphite. Although graphite accommodates one lithium atom for six carbon atoms, the inclusion of silicon improves the energy density of the anode because silicon can accommodate more lithium ions (i.e., four lithium atoms per silicon atom) . However, when silicon charges a lithium ion cell that incorporates a decolorized anode, the silicon undergoes an impressive volume increase in the insertion of lithium ions. The lithium escapes from the silicon and the silicon returns to the small size due to the discharge. The silicon electrode may expand more than three times its size in the discharged state during charging. Repeated expansion and contraction of the silicon at the electrode results in a large strain on the silicon and breaks or undifferentiates the silicon. This leads to electrical insulation of the silicon pieces, resulting in a reduction in the conductivity of the anode. The result is a short charge-discharge cycle of the silicon-based anode. To overcome this problem, it is known for a carefully designed silicon structure to minimize the strain caused by the expansion and contraction of the silicon. It is known to use capsules to create discontinuous layers that make it possible, for example, to provide space for the expansion and contraction of silicon. It has also been found that a thin silicon layer is more effective than a thick layer because the thin silicon layer undergoes less damage through cracking. In all cases, however, the silicon layer is exposed to the electrolyte and forms a Si surface on which the lithium compound is exposed. Charging and discharging cycling then causes small cracks to be generated and more silicon is exposed. The lithium compound forming the skin layer is insulative and as more silicon is exposed, the anode capacity and cycle capacity are reduced. To overcome this problem, a protective layer that allows the passage of lithium has been implemented, but inhibits contact of the silicon with the electrolyte. However, this may have an additional protective layer of the anode, which may adversely affect the charging characteristics of the anode. This involves a reduction in specific surface area, where the specific surface area of the electrode of the cell is directly related to the specific capacity of the electrode. Also, the binder layer generally has an insulating property, leading to increased internal resistance and, together with the output voltage, causes a thermal increase that causes the power density associated with the electrode to decrease.

리튬 이온 전지의 바람직한 어플리케이션은 오프-그리드 에너지 저장소이고, 이는 예를 들어 풍력 또는 태양 에너지와 같은 재생가능한 에너지 생성을 이용하도록 활용되어질 때 전력망을 신뢰할 수 있도록 유지하는 것이 보다 바람직하게 된다. 대규모 유틸리티 전지 저장소에는 화학적 에너지의 형태로 전기를 저장하는 것이 요구된다. 전지가 부하 변화에 빠르게 응답하고 동시-생성된 및/또는 서드파티 파워를 받아들여 매우 안정적인 시스템을 제공하기 때문에 전지는 이상적으로는 이러한 어플리케이션에 적합하다. 전지와 결부된 낮은 대기 손실 또한 바람직하다. 불행하게도, 전통적인 전지들은 대규모 유틸리티 저장소에 적용 가능한 것으로 여겨지지 않는데, 그들이 낮은 에너지 밀도, 작은 파워 용량, 높은 유지 비용, 짧은 라이프 사이클 및 제한된 방전 능력에 의해 방해받기 때문이다.A preferred application of a lithium ion battery is off-grid energy storage, which makes it more desirable to maintain the grid reliably when utilized to take advantage of renewable energy generation, such as wind or solar energy. Large-scale utility battery stores require the storage of electricity in the form of chemical energy. The battery is ideally suited for such applications because the battery responds quickly to load changes and provides a very stable system that accepts co-generated and / or third party power. A low atmospheric loss associated with the battery is also desirable. Unfortunately, conventional batteries are not considered applicable to large utility storage because they are hampered by low energy density, small power capacity, high maintenance costs, short lifecycle and limited discharge capability.

스톤 웨일즈(Stone Wales) 결함은 헥사고날 네트워크에 있는 5 내지 7 고리쌍들의 쌍극자이고 그래핀 또는 탄소나노튜브(CNT)의 표면 공학을 가능하게 하는 가장 중요한 결함 구조들 중 하나이다. 이 결함은 그래핀 또는 CNT의 기계적, 화학적 및 전자적 특성에 영향을 미칠 수 있다. 화학 기상 증착을 통하여 3000K에서 합성된 단일벽 CNT는 ㎛당 평균 하나의 스톤-웨일즈 결함을 포함하는 것으로 알려져 있다. 그러나, 이러한 온도가 긴 시간 주기를 통하여 제공되기에는 비용이 극도로 많이 든다. The Stone Wales fault is one of the most important fault structures that enable the surface engineering of graphene or carbon nanotubes (CNTs) and dipoles of 5 to 7 high pairs in the hexagonal network. This defect can affect the mechanical, chemical and electronic properties of graphene or CNTs. Single-wall CNTs synthesized at 3000 K through chemical vapor deposition are known to contain an average of one Stone-Welson defect per micron. However, the cost is extremely high for such a temperature to be provided over a long period of time.

본 발명의 실시예들은 리튬 이온 전지가 특히, 예를 들어 국가 전력망에 적합하게 되도록, 리튬 이온 전지와 결부된 특징을 향상시키는 리튬 이온 전지용 전극에 사용되기 위한 복합 재료를 제공할 필요성이 있다는 인식으로부터 도출된다. The embodiments of the present invention are based on the recognition that there is a need to provide a composite material for use in an electrode for a lithium ion battery that improves characteristics associated with a lithium ion battery so that the lithium ion battery is particularly suitable for, Lt; / RTI >

따라서, 본 발명 및 실시예들은 위에 설명된 문제점들 및 요구들의 적어도 일부를 다루는 것으로 의도된다.Accordingly, the present invention and the embodiments are intended to cover at least some of the problems and needs described above.

본 발명의 제1 양태에 따르면 전극 요소로 이용되기 위한 복합 재료가 제공되는데, 실질적으로 분리되고 별개인 제1 및 제2 흑연계 물질이되 상기 제1 흑연계 물질은 제2 흑연계 물질로부터 이격되는 제1 및 제 흑연계 물질; 및 층간삽입에 의해 상기 제1 및 제2 흑연계 물질 사이에 있는 공간에 배치되는 데코레이트(decorate)를 포함한다.According to a first aspect of the present invention there is provided a composite material for use as an electrode element, the first and second graphite materials being substantially separate and distinct, the first graphite material being spaced apart from the second graphite material First and second graphite-based materials; And a decorate disposed in a space between the first and second graphite-based materials by interlayer intercalation.

본 발명의 복합 재료들은 우수한 파쇄성을 나타낼 수 있다. 상기 제1 및 제2 흑연계 물질 사이에 구비되는 공간 또는 갭 사이에 층간삽입할 수 있는 것은 데코레이트를 수용하기 위한 표면적을 증대시킨다. 이는 흑연계 물질이 쉽게 표면 개질되는 것을 가능하게 한다.The composite materials of the present invention can exhibit excellent friability. The ability to intercalate between the spaces or gaps provided between the first and second graphite materials increases the surface area for accommodating the decorations. This makes it possible for the graphite material to be easily surface modified.

상기 복합 재료는 나노-복합 재료를 형성하기 위하여, 나노 스케일 상의 크기를 가질 수 있다. 나노-스케일 상의 크기는 1000 nm보다 작은 특징적인 크기를 의미할 수 있다. 본 발명의 파티클은 1000nm보다 작은 특징적인 크기를 가질 수 있지만, 일부 실시예들에서 본 발명의 파티클은 모두 1000nm 이상의 특징적인 크기(예를 들어, 두께 및 폭)를 갖는다. 용어 "특징적인 크기"는 일반적으로 이해되는 바와 같이 그리고 여기에서 사용되는 바와 같이, 전체로서 고려되는 파티클들의 전반적인 크기에 관련된다. 그러나, 대체로, 연속 서브-구조물들 간의 세퍼레이션 및 서브-구조물들의 스택 두께는 1000nm보다 작다. The composite material may have a nanoscale-like size to form a nanocomposite. The size on the nano-scale may mean a characteristic size smaller than 1000 nm. The particles of the present invention may have characteristic sizes of less than 1000 nm, but in some embodiments the particles of the present invention all have characteristic sizes (e.g., thickness and width) greater than 1000 nm. The term "characteristic size" relates to the overall size of particles considered as a whole, as generally understood and used herein. However, in general, the separation between successive sub-structures and the stack thickness of sub-structures is less than 1000 nm.

상기 제1 및 제2 물질은 동일한 물질일 수 있다. 따라서, 구조물의 메인 바디를 형성하는 동일한 조성물의 제1 및 제2 물질의 각각의 표면 간에는 메이저 간격이 배열된다.The first and second materials may be the same material. Thus, a major gap is arranged between the respective surfaces of the first and second materials of the same composition forming the main body of the structure.

상기 제1 및 제2 물질은, 예를 들어 탄소 나노튜브의 외측 표면들이라기 보다는 플레이트릿과 같은 것이 될 수 있다. The first and second materials may be, for example, planet rather than outer surfaces of the carbon nanotubes.

상기 제1 및/또는 제2 물질은 높낮이가 있는 구조를 가질 수 있다. 이것은 제1 및 제2 물질 간의 간격이 가변적이며, 일부 영역들에서 각각의 표면들은 작은 접촉 면적으로 접촉할 수 있다. The first and / or second material may have a raised structure. This is because the spacing between the first and second materials is variable, and in some areas each of the surfaces can contact with a small contact area.

상기 제1 및 제2 흑연계 물질은 스택의 제1 및 제2 층을 형성하기 위해 적층된 구조로 되어 있고, 데코레이트가 스택의 제1 및 제2 층 사이에 위치한다. 제1 층은 제1 서브-구조물이 될 수 있고 제2 층은 제2 서브-구조물이 될 수 있으며, 제1 및 제2 서브-구조물들은 흑연계 물질층들의 스택을 포함하고, 연속 적층된 서브구조물들 간의 세퍼레이션이 각각의 서브-구조물에 있는 연속 흑연계 물질층들 간의 세퍼레이션보다 더 크다. 연속 적층된 서브구조물들 간의 세퍼레이션은 가변적일 수 있다. 연속 적층된 서브구조물들 간의 세퍼레이션은 데코레이트를 수용할 수 있는 흑연계 물질의 표면 영역을 증가시킨다. 적층된 서브-구조물들 간의 세퍼레이션은 적어도 2nm, 바람직하게는 적어도 5nm, 보다 바람직하게는 적어도 10nm가 될 수 있다. 연속 적층된 서브구조물들 간의 세퍼레이션은 100nm 이하, 바람직하게는 50nm 이하, 보다 바람직하게는 30nm 이하, 가장 바람직하게는 20nm 이하가 될 수 있다. 연속 적층된 서브-구조물들 간의 세퍼레이션은 위에 정의된 하한들 중 하나로부터 위에 정의된 상한들 중 하나로 확장되는 범위가 될 수 있다. 연속 적층된 서브-구조물들 간의 세퍼레이션은 2 내지 100nm, 바람직하게는 5 내지 50nm, 보다 바람직하게는 10 내지 30nm, 가장 바람직하게는 10 내지 20nm 범위가 될 수 있다. The first and second graphite materials are stacked to form the first and second layers of the stack, and the decorate is located between the first and second layers of the stack. The first layer may be a first sub-structure and the second layer may be a second sub-structure, wherein the first and second sub-structures comprise a stack of layers of graphitic material, The separation between the structures is greater than the separation between the layers of continuous graphite material in each sub-structure. The separation between successive stacked sub-structures may be variable. The separation between successive stacked sub-structures increases the surface area of the graphite material that can accommodate the decorate. The separation between the stacked sub-structures may be at least 2 nm, preferably at least 5 nm, more preferably at least 10 nm. The separation between successive stacked sub-structures may be 100 nm or less, preferably 50 nm or less, more preferably 30 nm or less, and most preferably 20 nm or less. The separation between successive stacked sub-structures can range from one of the lower limits defined above to one of the upper limits defined above. The separation between successive stacked sub-structures may range from 2 to 100 nm, preferably from 5 to 50 nm, more preferably from 10 to 30 nm, and most preferably from 10 to 20 nm.

서브-구조물들은 각각 적어도 0.7nm, 바람직하게는 적어도 1nm의 스택 두께를 가질 수 있다. 서브-구조물들은 각각 0.7 내지 15 nm 이하, 바람직하게는 0.7 내지 4nm 이하의 스택 두께를 가질 수 있다. 서브-구조물들은 각각 1 내지 15 nm 범위 또는 1 내지 4nm 범위의 스택 두께를 가질 수 있다.The sub-structures may each have a stack thickness of at least 0.7 nm, preferably at least 1 nm. The sub-structures may each have a stack thickness of 0.7 to 15 nm or less, preferably 0.7 to 4 nm or less. The sub-structures may each have a stack thickness in the range of 1 to 15 nm or in the range of 1 to 4 nm.

상기 각각의 서브-구조물은 2개 내지 12개의 흑연계 물질층의 스택을 포함할 수 있다. 물론 파티클이 그래핀 단일층을 포함하는 것도 가능하다. 바람직하게는 서브-구조물은 3개의 흑연계 물질층의 스택을 포함할 수 있다.Each of the sub-structures may comprise a stack of two to twelve layers of graphite material. Of course, it is also possible that the particles include a single layer of graphene. Preferably, the sub-structure may comprise a stack of three graphitizable material layers.

바람직하게는, 상기 흑연계 물질은 그래핀이다.Preferably, the graphite based material is graphene.

상기 서브-구조물들은, 기본적인 서브-구조물 유닛이 그래핀층들의 스택이기 때문에, 유사성을 갖는 나노플레이트릿과 같은 서브-구조물, 즉 그래핀 나노-플레이트릿(GNP)로 간주될 수 있다. 그러나, 그래핀층의 수, 그들의 세퍼레이션, 서브-구조물의 스택 높이 및 폭은 GNP와 유사하거나 혹은 유사하지 않을 수 있다. 추가적으로, 서브-구조물들의 토포그래피는 GNP와 유사하거나 유사하지 않을 수 있다. 많은 실시예들에 있어서, 서브-구조물과 나노파티클은 그 자체가 물결형 또는 높낮이가 있는 토포그래피를 나타낸다.The sub-structures can be regarded as sub-structures, such as nano-playtrites having similarity, i.e. graphene nano-playtrit (GNP), since the basic sub-structure unit is a stack of graphene layers. However, the number of graphene layers, their separation, the stack height and width of the sub-structures may or may not be similar to the GNP. Additionally, the topography of the sub-structures may or may not be similar to the GNP. In many embodiments, the sub-structures and nanoparticles themselves exhibit wavy or elevated topography.

상기 서브-구조물들 각각은 스택 두께를 갖는다. 스택 두께는 연속 적층 서브-구조물들 사이의 세퍼레이션보다 작을 수 있다. 복합 재료는 0.7 내지 5 마이크론, 바람직하게는 1 내지 5 마이크론, 보다 바람직하게는 1.5 내지 3 마이크론 범위의 두께를 가질 수 있다. 의심을 피하기 위해, 용어 "두께"는 서브-구조물들이 적층된 것에 따른 크기와 관련된다.Each of the sub-structures has a stack thickness. The stack thickness may be less than the separation between successive stacked sub-structures. The composite material may have a thickness in the range of 0.7 to 5 microns, preferably 1 to 5 microns, more preferably 1.5 to 3 microns. To avoid doubt, the term "thickness" relates to the size as the sub-structures are laminated.

상기 복합 재료는 1 내지 15 마이크론, 바람직하게는 1 내지 5 마이크론, 보다 바람직하게는 2에서 5 마이크론 범위의 폭을 가질 수 있다. 의심을 피하기 위해, 용어 "폭”은 나노파티클의 두께에 대응하는 크기에 수직이거나 상당히 수직인 크기와 관련된다. 상기 제1 및 제2 물질(또는 서브-구조물들)은 순 음전하(nett negative charge)를 가질 수 있다. 특정 이론이나 추측에 구속되는 것을 바랄 것도 없이, 순 음전하의 존재는 각 서브-구조물 내에 있는 연속 그래핀층들 사이의 세퍼레이션에 대하여 제1 및 제2 층(즉, 서브-구조물들) 간의 상대적으로 큰 세퍼레이션을 생성하고 유지하는 데 적어도 도움이 될 수 있다고 믿어진다. 다시, 특정 이론이나 추측에 구속되는 것을 바랄 것 없이도, 순 음전하의 존재는 파쇄성 강화에 적어도 도움이 된다고 믿어진다.The composite material may have a width in the range of 1 to 15 microns, preferably 1 to 5 microns, more preferably 2 to 5 microns. To avoid doubt, the term "width " relates to a size perpendicular or substantially perpendicular to the size corresponding to the thickness of the nanoparticle. The first and second materials (or sub- structures) Without wishing to be bound by any particular theory or conjecture, the presence of a net negative charge will result in the first and second layers (i. E., Sub-layers) for the separation between successive graphene layers in each sub- It is believed that the existence of a net positive charge at least helps to enhance fracture properties, without wishing to be bound by any particular theory or conjecture. It is believed to be.

상기 데코레이트는 전기활성 물질일 수 있다. 상기 전기활성 물질은 물질의 전기 전도도 및/또는 전기 용량을 강화할 수 있다.The decolate may be an electroactive material. The electroactive material may enhance the electrical conductivity and / or the electrical capacity of the material.

상기 제1 및/또는 제2 층은 거기를 통하여 이온의 전달을 허용하기 위해 그 안에 배치되는 결함들 또는 홀들을 포함할 수 있다.The first and / or second layer may include defects or holes disposed therein to permit transfer of ions therethrough.

상기 복합 재료는 파우더 파티클의 형태를 취한다.The composite material takes the form of powder particles.

상기 복합 재료의 외측 표면에는 실질적으로 어떠한 데코레이트도 없을 수 있다.The outer surface of the composite material may be substantially free of any decorations.

본 발명의 제2 양태에서, 호스트 유동성 물질과 조합된 적어도 하나의 상기 언급된 복합 재료를 포함하는 표면 전달가능 물질이 제공된다. 따라서, 복합 재료 디스퍼션이 제공되는데 복합 재료는 액체 매질 내에 분산된다.In a second aspect of the present invention, there is provided a surface-transferable material comprising at least one of the above-mentioned composite materials in combination with a host flowable material. Thus, a composite dispersion is provided in which the composite material is dispersed in the liquid medium.

유동성 물질 또는 액체 매질은 용매이다. 복합 재료 및 유동성 물질 또는 액체 매질은 슬러리를 형성하거나, 대안적으로, 그들은 표준 인쇄 기술을 이용하여 인쇄가능한 잉크를 형성할 수 있다. 표면 전달가능 물질은 본 발명의 제1 양태의 복수의 복합재 파티클을 포함한다. 나노-미립자 물질은 전형적으로 15 내지 70 m2g-1, 바람직하게는 약 25 m2g-1의 범위의 표면적을 가질 수 있는데, 이는 혼합을 위해 나타내어지는 스택의 표면적이다. 혼합 전단(shearing) 프로세스는 전단력에 의해 그래핀을 자유롭게 하고 표면적은 그러면 약 700 m2g-1로 상승한다.The fluid material or liquid medium is a solvent. The composite material and the flowable material or liquid medium may form a slurry, or, alternatively, they may form a printable ink using standard printing techniques. The surface-deliverable material comprises a plurality of composite particles of the first aspect of the present invention. The nano-particulate material can typically have a surface area in the range of 15 to 70 m 2 g -1 , preferably about 25 m 2 g -1 , which is the surface area of the stack as shown for mixing. The mixed shearing process free graphene by shear force and the surface area is then increased to about 700 m 2 g -1 .

본 발명의 제3 실시예에 의하면, 상기 언급된 복합 재료를 포함하는 예를 들어 전지, 충전지 또는 리튬 이온 전지와 같은 에너지 저장 장치에서의 사용을 위한 전극이 제공된다. 상기 전극은 거기에 적용된 위에 언급된 표면 전달가능 물질을 갖는다. 상기 표면 전달가능 물질은 전도성 멤브레인의 표면에 적용된다. According to a third embodiment of the present invention, there is provided an electrode for use in an energy storage device, for example a battery, a rechargeable battery or a lithium ion battery, comprising the above-mentioned composite material. The electrode has the above-mentioned surface-transferring material applied thereto. The surface-transferable material is applied to the surface of the conductive membrane.

데코레이트 물질은 코발트계 리튬-이온, 니켈 코발트 알루미늄, 스피넬계 리튬-이온, 니켈 코발트 망간, 리튬 철 포스페이트 및 황을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 활성 캐소드 요소일 수 있고, 이에 의해 음극을 형성할 수 있다.The decorate material can be an active cathode element selected from the group consisting of cobalt based lithium ions, nickel cobalt aluminum, spinel based lithium ions, nickel cobalt manganese, lithium iron phosphate and sulfur, have.

상기 활성 캐소드 요소는 제1 및 제2 물질의 표면에 공유 결합된다.The active cathode element is covalently bonded to the surfaces of the first and second materials.

상기 전극은 또한 질소를 포함할 수 있다. 예를 들어 그래핀층과 같은 흑연계 물질층의 적어도 일부는 질소로 도핑될 수 있다. 질소 도핑은 전기 전도성을 향상시킬 수 있는 N형(네가티브) 흑연계 물질 구조를 제공한다. 질소 도핑은 마이크로 구조 및 전기화학적 특성 모두를 향상시키는 효과적인 방법이 되는 것으로 입증되었다.The electrode may also comprise nitrogen. For example, at least a portion of the graphite material layer, such as a graphene layer, may be doped with nitrogen. Nitrogen doping provides an N-type (negative) graphite material structure that can improve electrical conductivity. Nitrogen doping has proven to be an effective way to improve both microstructure and electrochemical properties.

상기 흑연계 물질에 적용되는 상기 데코레이트는 실리콘이 될 수 있다. 실리콘 데코레이션은 흑연계 물질의 다수의 서로 다른 자리들에 물질의 복수의 별개 증착의 형태로 적용된다. 이는 실리콘의 복수의 별개의 구조들 또는 '아일랜드'를 제공한다. 적용되는 실리콘은 실질적으로 구상형 구조가 될 수 있다. 바람직하게는, 실리콘은 나노-포드 구조를 갖는다. 이는 실리콘 구조물들이 서로 독립적으로 팽창 및 수축할 수 있는 것과 같은 유용한 특성들을 가져온다. 이는 물질이 다중의 전기적 충-방전 사이클에 대처할 잠재성을 제공한다. 따라서, 제1 및 제2 물질 간의 간격은 충전 사이클이 적용될 때 실리콘의 팽창 및 수축을 허용한다. The decorate applied to the graphite-based material may be silicon. The silicon decorations are applied in the form of a plurality of discrete depositions of material at a plurality of different locations of the graphite material. This provides a plurality of discrete structures or " islands " of silicon. The applied silicon can be a substantially spherical structure. Preferably, the silicon has a nano-pod structure. This results in useful properties such that the silicon structures can expand and contract independently of each other. This provides the potential for the material to cope with multiple electrical charge-discharge cycles. Thus, the spacing between the first and second materials permits expansion and contraction of the silicone when a filling cycle is applied.

본 발명의 제4 양태에 의하면, 출발 물질이 플라즈마 처리를 받는 단계를 포함하여 본 발명의 제1 양태의 복합 재료를 제조하는 방법이 제공된다. 상기 방법에서, 제1 및 제2 흑연계 물질 간에 적어도 하나의 공간이 생성되고 이어서 전기활성 물질이 층간삽입에 의해 상기 적어도 하나의 공간 내에 삽입된다. 대안적으로 제1 및 제2 흑연계 물질 간에 공간의 생성 및 층간삽입에 의한 전기활성 물질의 삽입이 동시 발생적으로 수행된다. 예를 들어 흑연 출발 물질은 그래핀 스택들로 오픈업될 수 있고 동시 발생적으로 층간삽입종이 그래핀 스택들 사이에 삽입될 수 있다. According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a method of producing the composite material of the first aspect of the present invention, including the step of subjecting the starting material to a plasma treatment. In this method, at least one space is created between the first and second graphite-based materials, and then the electroactive material is inserted into the at least one space by intercalation. Alternatively, the generation of the space between the first and second graphite-based materials and the insertion of the electroactive material by intercalation are simultaneously performed. For example, the graphite starting material can be opened up into graphene stacks and concurrently intercalated paper can be inserted between graphene stacks.

상기 플라즈마 처리는 플라즈마 처리동안 교반하고 원자들을 변위시키고 데코레이션을 제공하기 위한 앵커 포인트를 제공하고 시트들이 벤딩되고 출발 물질 및/또는 복합 재료에 층간 삽입하기 위해 필요한 공간들 및 물결모양을 형성하는 것을 야기하는 파티클 결함들, 주로 스톤 웨일즈 결함들을 제공하는 (전극들에 인접하여 있는) 높은 밀도의 아원자 파티클 충격과 함께 밀접한 접촉을 제공하기 위해 타켓 물질을 관통하여 움직이는 복수의 전극들을 이용하여 플라즈마를 생성하는 단계를 포함할 수 있다. 본 발명의 복합 재료를 제조하기 위해 적합한 장치는 본 출원인에 의해 2014년 11월 12일에 출원된 국제출원 PCT/GB2014/053352 및 2013년 12월 22일에 출원된 UK 특허출원 1322764.0 및 2013년 11월 12일에 출원된 UK 특허출원 1319951.8에 개시되어 있고, 각각의 그 전체 내용이 참조로 포함된다. 이 문서들은 또한 본 발명의 복합 재료를 제조하는데 적합할 수 있는 방법론을 개시한다.The plasma treatment may cause an anchor point to agitate during the plasma treatment and to displace the atoms and provide a decoration and to form the spaces and wavy spaces required for interlayer interleaving of the sheets into the starting material and / or composite material To generate close contact with high density subatomic particle bombardment (which is adjacent to the electrodes), which provides primarily StoneWales defects, to generate plasma using a plurality of electrodes moving through the target material . Appropriate devices for producing the composite material of the present invention are described in international applications PCT / GB2014 / 053352 filed on November 12, 2014, and UK patent applications 1322764.0 filed December 22, 2013, Is disclosed in UK Patent Application 1319951.8 filed on December 12, the entire contents of each being incorporated by reference. These documents also disclose methodologies that may be suitable for producing the composite materials of the present invention.

특정한 이론이나 추측에 구속되는 것을 바랄 것도 없이, 전극들은 출발 물질 및/또는 복합 재료 간의 밀접한 접촉 및 전극들에 인접한 위치들에서 분자들, 원자들, 아원자 파티클들 및 포톤들 중 하나 이상의 높은 밀도를 제공한다는 것이 믿어진다.Without wishing to be bound by any particular theory or conjecture, the electrodes may have a high density of one or more of molecules, atoms, subatomic particles, and photons at locations close to the electrodes and in close contact between the starting material and / . ≪ / RTI >

이것은 출발 물질 및/또는 복합 재료 내에 원자들을 변위시키고 예를 들어 기능성 및/또는 데코레이션을 제공하고/하거나 그래핀 시트들이 벤딩되고, 물결모양의 토폴로지를 띠고/띠거나 서브 구조물들 간에 공간을 제공하기 위한 앵커 포인트를 제공하는 스톤 웨일즈 결함들과 같은 결함을 제공한다.This may be accomplished by displacing atoms within the starting material and / or the composite material, for example by providing functionality and / or decorations and / or by providing graphene sheets with bending, wavy topology, or providing space between the sub- Such as StoneWales defects, which provide anchor points for the < RTI ID = 0.0 >

예를 들어, 밀접한 접촉은 캐소드에 인접한 영역에서 그리고 예를 들어 그래핀과 같은 흑연계 물질의 존재 하에 국부적인 이온 빔 또는 전자 방사 간에 높은 충격 속도에서 제공된다. 이 밀접한 접촉은 나노 초 동안 3000K까지의 온도를 제공한다. 이에 따라, 비록 순간적일지라도, 스톤 웨일즈 결함의 생성을 위해 필요한 조건들이 확립된다. '밀접한 접촉 프로세스'의 결과로서 제공되는 이 국부적인 온도는 일반적으로 340K 정도인 플라즈마 챔버의 주위 온도보다 훨씬 높다. 스톤 웨일즈 결함들은 초기 합성 이후에 오래 유지되고, 높은 용해 배리어에 의해 흑연계 물질의 격자 내에 트랩된다. For example, close contact is provided at a high impact velocity between the local ion beam or the electron emission in the region adjacent to the cathode and in the presence of a graphitic material such as, for example, graphene. This close contact provides temperatures up to 3000K for nanoseconds. Thus, even if only momentarily, the conditions necessary for the creation of the StoneWales defect are established. This local temperature provided as a result of the 'close contact process' is much higher than the ambient temperature of the plasma chamber, which is typically around 340K. The Stone Wales defects last for a long time after the initial synthesis and are trapped within the lattice of the graphite material by a high dissolution barrier.

본 발명은 출발 물질 및/또는 나노파티클이 처리될 수 있는 다양한 방법을 제공한다. 본 발명의 복합 재료의 제조를 위해 적용되는 적절한 처리들은 아래에 설명된다. The present invention provides various methods by which the starting materials and / or nanoparticles can be treated. Suitable treatments applied for the production of the composite materials of the present invention are described below.

i) 박리i) peeling

플라즈마 처리는 출발 물질을 박리하기 위해 박리 플라즈마 단계를 포함할 수 있다. 박리 플라즈마 단계는 불활성 가스 플라즈마를 이용할 수 있다. 불활성 가스는 주기율표의 18족의 가스로 이해된다. 박리 플라즈마 단계는 아르곤 플라즈마를 이용할 수 있다.The plasma treatment may include a stripping plasma step to strip the starting material. The stripping plasma step may utilize an inert gas plasma. The inert gas is understood as a gas of group 18 of the periodic table. The stripping plasma step may utilize an argon plasma.

ii) 클리닝ii) Cleaning

플라즈마 처리는 클리닝 플라즈마 단계를 포함할 수 있다. 이 클리닝 플라즈마 단계는 산소 플라즈마와 같은 산소 함유 가스 내의 플라즈마를 이용할 수 있다. 불활성 가스와의 혼합물이 이용될 수 있다.The plasma treatment may comprise a cleaning plasma step. This cleaning plasma step may utilize a plasma in an oxygen containing gas such as an oxygen plasma. Mixtures with inert gases may be used.

클리닝 및 박리 단계들의 순서는 서로 바뀔 수 있다. 그러나, 박리 단계 이전에 클리닝 단계를 수행할 때 양호한 결과가 얻어졌다. The order of the cleaning and peeling steps may be reversed. However, good results were obtained when carrying out the cleaning step prior to the stripping step.

iii) 결함 생성iii) defect generation

스톤 웨일즈 결합은 흑연계 물질의 서브-구조물들의 층들을 추가로 밀어 이격시키고 파쇄성을 향상시킨다. 스톤 웨일즈 결함들은 기능화, 데코레이션 및 도핑을 위한 앵커 포인트로서 작용할 수 있다.The StoneWales bond further pushes apart the layers of the sub-structures of the graphite material and improves fracture resistance. StoneWales faults can serve as anchor points for functionalization, decoration and doping.

iv) 층간삽입 및 도핑iv) intercalation and doping

제1 및 제2 물질 간의 층간삽입이 가능한데, 제1 및 제2 물질은 제1 및 제2 서브-구조물을 각각 포함한다. 벌크 구조의 흑연계 물질에 도펀트가 도입되도록 도핑이 또한 수행될 수 있다. 흑연계 구조물 매트는 질소로 도핑된다. 플라즈마를 이용하지 않는 도핑 방법의 사용 또한 본 발명의 범주 내에 있다.Interlayer intercalation between the first and second materials is possible, wherein the first and second materials each comprise a first and a second sub-structure. Doping can also be performed so that the dopant is introduced into the graphitic material of the bulk structure. The graphite structure mat is doped with nitrogen. The use of a plasma-free doping method is also within the scope of the present invention.

v) 데코레이션v) Decoration

상기 처리는 파티클의 표면을 데코레이션 물질로 데코레이트하도록 수행될 수 있다. 실리콘 데코레이션은 실록산과 같은 적절한 실리콘 함유 전구체 가스 증기로 플라즈마 처리를 이용하여 수행될 수 있다. 전구체의 일 예는 헥사메틸디실록산이다. 대안적으로, 파티클의 표면은 전형적으로 바인더, 폴리에틸렌 폴리프로필렌 또는 (니트릴 부타디엔 또는 스티렌 부타디엔 고무와 같은) 고무로 데코레이트될 수 있다.The treatment may be performed to decorate the surface of the particle with a decorating material. The silicon decorations may be performed using plasma treatment with suitable silicon-containing precursor gas vapors such as siloxanes. An example of a precursor is hexamethyldisiloxane. Alternatively, the surface of the particles may typically be decorrelated with a binder, polyethylene polypropylene, or rubber (such as nitrile butadiene or styrene butadiene rubber).

의심을 피하기 위하여, 여기서 사용되는 용어 '가스'는 실록산과 같은 휘발성 액체의 가스 요소를 포함하여, 가스 형태로 플라즈마로 도입되는 임의의 물질을 포함한다.To avoid doubt, the term 'gas' as used herein includes any material that is introduced into the plasma in a gaseous form, including gas elements of volatile liquids such as siloxanes.

본 방법은 마무리 처리를 포함할 수 있다. 마무리 처리는 원하는 효과 또는 특성을 생성하기 위해 수행될 수 있다. 마무리 처리는 고온 처리 및/또는 플라즈마 처리를 포함할 수 있다.The method may include a finishing process. The finishing process can be performed to produce the desired effect or characteristic. The finishing treatment may include a high temperature treatment and / or a plasma treatment.

마무리 처리는 마이크로웨이브 유도 마무리 처리를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 마이크로웨이브 유도 마무리 처리는 마이크로웨이브 유도 플라즈마 처리이다. 복합 재료는 마이크로웨이브 방사선에 직접적으로 노출될 수 있다. 복합 재료를 방사선에 직접 노출하기 위해 마이크로웨이브 오븐이 사용될 수 있다. 마이크로웨이브 유도 마무리 처리는 복수의 별개 구조들 또는 실리콘 '아일랜드'를 갖는복합 재료를 제공하기 위해 실리콘으로 코팅된 복합 재료를 변환하는데 사용될 수 있다. The finishing treatment may include a microwave induced finishing treatment. Preferably, the microwave induced finishing treatment is a microwave induced plasma treatment. The composite material can be directly exposed to microwave radiation. A microwave oven can be used to directly expose the composite to radiation. The microwave induced finishing treatment may be used to convert the composite material coated with silicon to provide a composite material having a plurality of discrete structures or silicon " islands ".

상기 플라즈마 처리는 글로 방전 플라즈마를 활용할 수 있다. 이 유형의 플라즈마들은 실행하기 편리하고 양호한 결과물을 생성하는 것으로 확인되었다.The plasma treatment may utilize a glow discharge plasma. Plasmas of this type have been found to be convenient to perform and produce good results.

일반적으로 말하자면, 글로 방전 플라즈마는 저압 플라즈마이다. 글로 방전 플라즈마를 생성하는데 사용되는 압력은 전형적으로 10 Torr 이하이다. 사용되는 압력은 바람직하게는 5 Torr이하, 보다 바람직하게는 1 Torr 이하, 더욱 바람직하게는 0.5 Torr 이하, 가장 바람직하게는 0.1 Torr 이하이다. 사용되는 압력은 전형적으로 0.001 Torr 이상, 종종 0.01 Torr 이상이다. 의심을 피하기 위해, 이러한 상한 및 하한 압력의 가능한 모든 조합에 대응하는 압력 범위가 본 발명의 범주 내에 있다.Generally speaking, the glow discharge plasma is a low pressure plasma. The pressure used to generate the glow discharge plasma is typically 10 Torr or less. The pressure to be used is preferably 5 Torr or less, more preferably 1 Torr or less, further preferably 0.5 Torr or less, and most preferably 0.1 Torr or less. The pressure used is typically greater than or equal to 0.001 Torr, often greater than or equal to 0.01 Torr. To avoid doubt, pressure ranges corresponding to all possible combinations of these upper and lower pressures are within the scope of the present invention.

일반적으로 글로 방전 플라즈마는 저압 가스를 통해 전기적 전류의 통과에 의해 형성된다. 글로 방전 플라즈마는 DC, AC 또는 RF 전압을 이용하여 형성될 수 있다.Generally, a glow discharge plasma is formed by the passage of an electric current through a low-pressure gas. The glow discharge plasma may be formed using DC, AC, or RF voltages.

글로 방전 플라즈마가 바람직함에도 불구하고 다른 종류의 플라즈마를 생성하는 것도 가능하다. 예를 들어, 대기압 플라즈마, 근 대기압 플라즈마 또는 수기압까지 가압을 활용하는 플라즈마가 활용될 수 있다. 대안적으로, 저압 플라즈마의 다른 형태가 이용될 수 있다.It is also possible to generate other kinds of plasma though the glow discharge plasma is preferable. For example, an atmospheric plasma, a near-atmospheric plasma, or a plasma utilizing pressurization to water pressure can be utilized. Alternatively, other forms of low pressure plasma may be used.

플라즈마는 처리 챔버의 작업 전극 주위의 국부적인 영역에 형성된다. 플라즈마 처리동안 파티클들을 교반하기 위해 복수의 전극들의 사용과 관련하여, 이 특징은 플라즈마와 파티클 간의 반응이 잘 제어되는 것을 가능하게 한다. 이는 또한 유리한 공정 조건들이 생성되고 제어되는 것을 가능하게 한다. The plasma is formed in a localized area around the working electrode of the processing chamber. With respect to the use of a plurality of electrodes to agitate particles during plasma processing, this feature enables the reaction between the plasma and the particles to be well controlled. This also allows advantageous process conditions to be created and controlled.

상기 출발 물질은 흑연계 물질을 포함할 수 있다. 상기 흑연계 물질은 GNP와 같은 그래핀 스택들, 버키 볼(bucky ball) 및 CNT와 같은 풀러렌, 또는 이들의 혼합물을 포함하는 물질일 수 있다.The starting material may comprise a graphite based material. The graphite material may be a material comprising graphene stacks such as GNP, fullerenes such as bucky balls and CNT, or mixtures thereof.

대안적으로 상기 출발 물질은 점토 또는 다른 탄소 함유 물질을 포함할 수 있다. Alternatively, the starting material may comprise clay or other carbon containing material.

본 발명의 제6 양태에 있어서, 복합 재료를 제조하는 방법이 제공되는데 제1 및 제2 흑연계 물질 간에 적어도 하나의 공간을 생성하는 단계 및 이어서 층간삽입에 의해 적어도 하나의 공간 내에 전기활성 물질을 삽입하는 단계를 포함한다. 이것은 전기활성 물질 주위에 그래핀을 랩핑한 후에 공간을 생성하는 알려진 기술들과 차이점이 있다. In a sixth aspect of the present invention there is provided a method of making a composite material comprising the steps of creating at least one space between a first and a second graphite material and then forming an electroactive material in at least one space by intercalation . This is in contrast to known techniques for creating space after wrapping graphene around an electroactive material.

본 발명의 제7 양태에 있어서, 플라즈마 챔버 내에서 복합 재료를 제조하는 방법이 제공되는데, 탄소계 원료 물질을 챔버 내에 삽입하는 단계; 호스트 영역을 형성하기 위하여 플라즈마의 인가에 의해 탄소계 원료 물질을 트위스팅 및 버클링하는 단계; 및 복합 재료를 형성하기 위하여 호스트 영역 내에 전기활성 물질을 삽입하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 탄소계 원료 물질의 스택들의 트위스팅 및 버클링을 유발하기 위하여 박리 공정을 이용할 수 있다. 상기 방법은 탄소계 원료 물질의 트위스팅 및 버클링에 앞서 탄소계 원료 물질 상에 클리닝 공정을 적용하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.In a seventh aspect of the present invention, there is provided a method of producing a composite material in a plasma chamber, comprising: inserting a carbonaceous source material into a chamber; Twisting and buckling the carbonaceous source material by application of plasma to form a host region; And inserting an electroactive material into the host region to form a composite material. The process may utilize a stripping process to cause twisting and buckling of the stacks of carbon-based source material. The method may further comprise the step of applying a cleaning process on the carbonaceous source material prior to twisting and buckling of the carbonaceous source material.

상기 방법은 복합 재료의 외측 표면 상에 위치하는 전기활성 물질을 실질적으로 제거하기 위한 제2 클리닝 공정을 사용할 수 있다. 전기활성 물질은 황 승화에 의해 삽입될 수 있다. The method may use a second cleaning process to substantially remove the electroactive material located on the outer surface of the composite material. The electroactive material can be inserted by sulfur sublimation.

본 발명의 제8 양태에 있어서, 애노드 형성 방법이 제공되는데, 이는 플라즈마 챔버 내에 흑연계 물질을 배치하는 단계; 플라즈마 챔버 내에서 흑연계 물질을 클리닝하는 단계; 아르곤 가스 존재 하에서 형성되는 플라즈마로 흑연계 물질을 클리닝하는 단계; 산소 가스 존재 하에서 형성되는 플라즈마로 흑연계 물질을 기능화하는 단계; 및 흑연계 물질 내에 실리콘을 삽입하기 위하여 폴리디메틸디실록산 헥사메틸디실록산 증기를 플라즈마 챔버 내로 도입하는 단계를 포함한다.In an eighth aspect of the present invention, there is provided an anode forming method comprising: disposing a graphite material in a plasma chamber; Cleaning the graphite material in the plasma chamber; Cleaning the graphite material with a plasma formed in the presence of argon gas; Functionalizing the graphite based material with a plasma formed in the presence of oxygen gas; And introducing polydimethyldisiloxane hexamethyldisiloxane vapor into the plasma chamber to insert silicon into the graphite material.

본 발명의 제9 양태에 있어서, 본 발명의 제1 양태의 물질들과 결합한 예를 들어 전지 또는 충전지와 같은 에너지 저장 장치가 제공된다. 충전지는 리튬 이온 전지가 될 수 있다. In a ninth aspect of the present invention, there is provided an energy storage device such as a battery or rechargeable battery combined with the materials of the first aspect of the present invention. The rechargeable battery can be a lithium ion battery.

본 발명의 제10 양태에 있어서, 상기 에너지 저장 장치는 데코레이트가 황인, 본 발명의 제3 양태의 전극을 결합한 충전지를 포함한다. In a tenth aspect of the present invention, the energy storage device comprises a rechargeable battery in which the electrode of the third aspect of the present invention is connected, wherein the decorate is yellow.

본 발명의 제11 양태에 있어서, 상기 에너지 저장 장치는 데코레이트가 실리콘인, 본 발명의 제3 양태의 전극을 결합한 충전지를 포함한다.In an eleventh aspect of the present invention, the energy storage device comprises a rechargeable battery that combines the electrode of the third aspect of the present invention, wherein the decorate is silicon.

본 발명의 제12 양태에 있어서, 상기 에너지 저장 장치는 데코레이트가 황인 본 발명의 제3 양태를 포함하는 제1 전극 및 데코레이트가 실리콘인 본 발명의 제3 양태를 포함하는 제2 전극이 결합된 충전지를 포함한다. 따라서, 캐소드와 애노드가 각각 제공된다.In a twelfth aspect of the present invention, the energy storage device comprises a first electrode comprising a third aspect of the invention wherein the decorate is yellow and a second electrode comprising a third aspect of the invention wherein the decorate is silicon, . Thus, a cathode and an anode are provided, respectively.

본 발명의 제13 양태에 있어서, 플라즈마 챔버에서 흑연계 물질 내에 결함을 생성하는 방법이 제공되는데, 흑연계 물질에서 결함을 생성하기 위해 흑연계 물질들 간에 충격 및 플라즈마 챔버 내에서 주위 온도보다 높은 국부적인 온도를 생성하도록 전극에 인접한 영역에 흑연계 물질 및 국부적인 이온 빈, 전자들 또는 방사선을 제공하는 단계를 포함한다. 방사선은 예를 들어 전자 방사선이 될 수 있다.In a thirteenth aspect of the present invention there is provided a method of generating defects in a graphite material in a plasma chamber, the method comprising the steps of: providing an impact between graphite materials to produce defects in the graphite material, And providing a graphite material and local ion bins, electrons, or radiation in a region adjacent to the electrode to produce a temperature in contact with the electrode. The radiation may be, for example, electromagnetic radiation.

반응기 내의 주위 온도는 400K보다 낮을 수 있고 전극에서의 국부적인 온도는 550K보다 클 수 있다. 상기 국부적인 온도는 3000K보다 낮을 수 있다.The ambient temperature in the reactor may be less than 400K and the local temperature at the electrode may be greater than 550K. The local temperature may be lower than 3000K.

상기 국부적인 온도는 10 나노 초보다 작은 시간 동안 발생할 수 있다.The local temperature may occur for less than 10 nanoseconds.

본 발명이 위에서 설명되었지만 이는 위에 언급된 특징들, 또는 후술하는 설명, 도면 또는 청구항들의 임의의 발명적 조합으로 확장된다. 예를 들어 본 발명의 제1 양태와 관련하여 설명된 어느 특징점은 또한 본 발명의 다른 양태와 관련되어 개시된 것으로 이해된다. Although the present invention has been described above, it extends to the above-mentioned features, or any inventive combination of the following description, drawings or claims. For example, it is understood that any of the features described in connection with the first aspect of the present invention are also disclosed in connection with other aspects of the present invention.

본 발명은 이제 첨부된 도면을 참조로 단지 예시적인 방식으로 설명될 것이다.The present invention will now be described, by way of example only, with reference to the accompanying drawings.

도 1은 복합 재료를 개략적으로 나타낸 것이다.Figure 1 schematically shows a composite material.

도 2는 물질의 결정성을 나타내는 그래프이다.2 is a graph showing the crystallinity of a material.

도 3은 흑연계 물질의 주사 전자 현미경(SEM) 이미지이다.3 is a scanning electron microscope (SEM) image of a graphite based material.

도 4는 실리콘 나노-포드들을 포함하는 복합 재료의 주사 전자 현미경(SEM) 이미지이다.Figure 4 is a scanning electron microscope (SEM) image of a composite material comprising silicon nano-pods.

도 5는 본 발명의 장치의 사시도이다.5 is a perspective view of the apparatus of the present invention.

도 6은 회전하는 드럼의 내부의 분해도이다.6 is an exploded view of the interior of the rotating drum.

도 7a는 내부에 배치된 복수의 전극들을 갖는 엔드 플레이트의 분해사시도이고, 도 7b는 내부에 배치된 복수의 전극들을 갖는 엔드 플레이트의 측면도이다.FIG. 7A is an exploded perspective view of an end plate having a plurality of electrodes disposed therein, and FIG. 7B is a side view of an end plate having a plurality of electrodes disposed therein.

도 8은 흑연계 출발 물질의 SEM 이미지를 나타낸다.Figure 8 shows an SEM image of the graphite starting material.

도 9는 전극의 이미지이다.9 is an image of an electrode.

도 10은 애노드의 개략도이다.10 is a schematic view of an anode.

도 11은 캐소드의 개략도이다.11 is a schematic view of a cathode.

도 12는 리튬 이온 충전지의 개략도이다.12 is a schematic view of a lithium ion rechargeable battery.

우선 도 1을 참조하면, 제1 및 제2 흑연계 물질(2, 3)을 포함하되 제1 물질(1)이 제2 물질(2)로부터 이격되어 있는 복합 재료(1)가 개략적으로 나타나 있다. 1, there is schematically illustrated a composite material 1 comprising first and second graphite-based materials 2, 3, wherein the first material 1 is spaced from the second material 2 .

특정한 이론이나 추측에 구속되는 것을 바랄 것도 없이,제1 및 제2 물질(또는 서브-구조물들)이 제1 및 제2 물질(또는 서브-구조물들)을 이격하여 유지하는 순 음전하를 갖는 것이 믿어진다. 결함들은 예를 들어 서브-구조물들 간에 상대적으로 큰 세퍼레이션을 가져오는 스톤 웨일즈 결함들로 제공된다. 서브-구조물들 또는 층들 간의 상대적으로 큰 메이저 갭들(또는 공간들)(4)은 물질(1)의 파쇄성을 향상시키는데, 이에 의해 작은 힘의 인가가 미리 정해진 간격의 제1 및 제2 물질(2, 3)을 유지하는 힘을 극복할 것이다. 이것은 향상된 패키징, 핸들링 및 물질의 액체 매질에의 결합성을 가져온다. 반면, CNT, GNP 및 그래핀 단일 플레이크와 같은 종래 나노파티클들은 핸들링하기 어려운 것으로 유명하고 일반적으로 높은 얽힘성 및 낮은 파쇄성을 나타낸다. 이것은 궁극적으로 간격이 너무 작기 때문에, 종래 기술이 층간삽입을 제공할 수 없는 크기의 층들 간의 갭을 갖는 상대적으로 평평한 스택 구조들을 나타내기 때문이다.It is believed that the first and second materials (or sub-structures) have a net negative charge that keeps the first and second materials (or sub-structures) spaced apart, without wishing to be bound by any particular theory or conjecture Loses. Defects are provided, for example, by Stone Walsh defects, which result in a relatively large separation between sub-structures. The relatively large major gaps (or spaces) 4 between the sub-structures or layers improve the friability of the material 1 whereby a small force is applied to the first and second material 2, and 3). This results in improved packaging, handling and bonding of the material to the liquid medium. On the other hand, conventional nanoparticles such as CNTs, GNPs and graphene single flakes are known to be difficult to handle and generally exhibit high entanglement and low friability. This is because the spacing is ultimately too small, because the prior art exhibits relatively flat stack structures with gaps between layers that can not provide interlayer inset.

상대적으로 큰 갭들(4)과 관련된 추가의 장점은 데코레이트 물질(6)이 제1 및 제2 물질(2, 3) 간의 갭 또는 공간(4) 내에 층간삽입될 수 있다는 것이다. 이를 가능하게 하기 위해, 제1 및 제2 물질(2, 3) 간의 공간(4)은 최소 2 nm이다. 도 1에 도시된 바와 같은 흑연계 물질(1)은 높낮이가 있는 모폴로지를 갖는데, 이에 의해 예를 들어 흑연과 같은 출발 물질의 층들이 높낮이가 있는 그래핀 층들(5) 간에 제공되는 갭 또는 공간(4)이 있는 랜덤한 물결모양의 모폴로지를 갖는 그래핀 플레이크를 제공하기 위해 트위스트 및 버클링된다. 전기활성 물질들은 갭이 형성되고 이어서 갭(4) 내에 삽입되는 층간삽입물질(7)로서 사용된다. 이것은 종래 기술의 알려진 기술들과 상이한데, 흥미롭게는 흑연계 물질이 전기활성 물질 주위에 랩핑된다. 따라서, 종래 기술에서 공간은 전기 활성 물질이 제공된 후에 단지 생성된다. 랩핑 공정은 복잡하며 결과적인 캡슐은 낮은 수준의 결정성을 갖는 많은 오버랩 영역들을 갖는다.A further advantage associated with relatively large gaps 4 is that the decorate material 6 can be interlaminarly interposed in the gap or space 4 between the first and second materials 2,3. To enable this, the space 4 between the first and second materials 2, 3 is at least 2 nm. The graphite-based material 1 as shown in Fig. 1 has a raised morphology whereby the layers of the starting material, for example graphite, are separated from the gaps or spaces provided between the raised graphene layers 5 4) to provide a graphene flake with a random wavy morphology. The electroactive materials are used as interlayer inserting material 7 in which a gap is formed and then inserted into the gap 4. This is different from known techniques of the prior art, and interestingly the graphite material is wrapped around the electroactive material. Thus, in the prior art, the space is only created after the electroactive material is provided. The lapping process is complex and the resulting capsules have many overlap regions with low levels of crystallinity.

전기활성 물질(7)의 도입에 앞서 갭들(4)의 제공은 그러므로 다른 공지된 구조들에 비교할 때 더 많은 전기활성 물질(4)이 복합 재료(1)에 수용되는 것을 가능하게 하는 흑연계 물질(2, 3)의 표면적을 증대시킨다. 나아가, 본 발명의 복합 재료(1)는 유연하지만 XRD 분석에 의해 나타나는 높은 결정질 구조인데 알파 흑연 형태(헥사고날) 및 페타 흑연 형상(롬보헤드랄) 모두가 관찰된다. 이 높은 수준의 결정성은 물질을 통한 전도를 가능하게 한다. 이것은 그러므로 예를 들어 전극에서 사용하기 적합하게 만들어주는 전극 수송을 위한 전도성 뼈대를 제공한다. 본 발명의 적층된 구조의 결정성과 공지된 물질 간의 비교가 도 2에 도시되어 있다. 적층된 물질의 그래프는 높은 결정성인 것을 명확하게 하고 이는 알려진 적층된 또는 포장된 구성의 그것보다 훨씬 날카롭다.The provision of the gaps 4 prior to the introduction of the electroactive material 7 is therefore advantageous in that it allows the electroconductive material 4 to be accommodated in the composite material 1 as compared to other known structures, (2, 3). Further, the composite material (1) of the present invention is flexible but has a high crystalline structure exhibited by XRD analysis, both in the alpha graphite form (hexagonal) and the peta graphite form (romb headram). This high level of crystallinity allows conduction through the material. This therefore provides a conductive framework for electrode transport, for example making it suitable for use in an electrode. A comparison between the crystallinity of the laminated structure of the present invention and known materials is shown in FIG. The graph of the laminated material makes it clear that it is highly crystalline and is much sharper than that of known laminated or packaged configurations.

면 결함들 또는 공공(미도시)이 또한 그래핀 층들(2,3)의 모폴로지 내에 포함될 수 있어 자유 이온 주행을 위한 지름길을 제공하는데, 이는 예를 들어 리튬 이온들에 적용가능하다.Planar defects or vacancies (not shown) can also be included in the morphology of the graphene layers 2,3 to provide a shortcut for free ion travel, which is applicable, for example, to lithium ions.

도 3은 복수의 층들(5)을 포함하는 흑연계 물질을 나타낸다. 공통적으로, 실질적으로 정렬된 에지를 갖는 제1 복수의 연속적인 서브-구조물들(5)에 이어서 실질적으로 정렬된 에지를 갖는 제2 그룹의 연속적인 서브구조물들(5a)이 관찰되지만, 제1 복수의 서브-구조물들(5) 등이 반드시 정렬되어야만 하는 것은 아니다. 각각의 서브-구조물(5)은 많은 그래핀 층(8)을 포함하는 것이 보여졌다. 전형적으로 각각의 서브-구조물(5)에는 약 10층의 그래핀(8)이 있다. 종종, 약 2.1 nm 두께의 서브구조물을 갖는 3개의 그래핀 층들(8)을 갖는 것으로 서브-구조물들(5)이 관찰된다. 서브-구조물들(5) 내의 연속적인 층들(8) 간의 마이너 갭들(9)은 약 0.5~0.8 nm이다. 도 3에서 개별 그래핀 층들(8)이 해소되지는 않으나 대신 서브-구조물들(5)이 명백하게 별개의 특징점들로서 나타난다는 것이라는 것이 이해될 것이다.Figure 3 shows a graphite based material comprising a plurality of layers (5). Commonly, a second group of consecutive sub-structures 5a with edges that are substantially aligned followed by a first plurality of consecutive sub-structures 5 with substantially aligned edges are observed, A plurality of sub-structures 5 and the like are not necessarily aligned. Each sub-structure 5 has been shown to include many graphene layers 8. Typically, each sub-structure 5 has about ten layers of graphene 8. Often, sub-structures 5 are observed with three graphene layers 8 having sub-structures of about 2.1 nm thickness. Minor gaps 9 between successive layers 8 in sub-structures 5 are about 0.5 to 0.8 nm. It will be appreciated that in FIG. 3 the individual graphene layers 8 are not eliminated, but instead the sub-structures 5 appear as distinct feature points.

도 4는 층간삽입물질(7)로서 실리콘(10)을 갖는 복합 재료(1)를 나타낸다. 복합 재료(1)는 제1 및 제2 흑연계 물질(2, 3) 간의 갭(4) 내에 내부 데코레이트(7)를 유지하면서 외측 표면(11) 상의 전기활성 데코레이트(6)가 상대적인 제거된 것이 보여진다. 이 구성은 예를 들어 전해질과 같은 외부 물질과 데코레이트(6)의 반응을 최소화한다.4 shows a composite material 1 having silicon 10 as an intercalation material 7. The composite material 1 has a structure in which the electroactive decolor 6 on the outer surface 11 while maintaining the inner decora 7 in the gap 4 between the first and second graphite materials 2, . This configuration minimizes the reaction of the decorate 6 with external substances such as, for example, electrolytes.

복합 재료(1)는 내부에 가스 또는 가스 혼합물을 도입하는 것에 의해 플라즈마를 지속하게 하는 플라즈마 챔버 내에서 처리된다. 도 5 내지 도 7b에 도시된 바와 같은 장치가 사용되었고 이제 상세히 설명될 것이다.The composite material 1 is treated in a plasma chamber which sustains the plasma by introducing a gas or gas mixture therein. An apparatus as shown in Figs. 5 to 7B has been used and will now be described in detail.

본 발명의 나노파티클을 제조하기에 적합한 장치가 이제 설명될 것이다. 도 5는 커플링 부분들(14, 16)을 통하여 베드(13) 상에 위치하는 적합한 처리 챔버(12)를 나타낸다. 커플링 부분(16)은 하우징(18) 내에 배치되는 적합한 모터 또는 액추에이터와 작동상 연결된다. 모터 또는 액추에이터가 처리 챔버(10)에 결합되어, 작동에 있어서, 처리 챔버(12)가 원하는 회전 속도로 회전할 수 있다. Suitable devices for making the nanoparticles of the present invention will now be described. Figure 5 shows a suitable processing chamber 12 positioned on the bed 13 through the coupling portions 14,16. The coupling portion 16 is operatively connected to a suitable motor or actuator disposed within the housing 18. A motor or actuator is coupled to the process chamber 10 so that in operation, the process chamber 12 can rotate at a desired rotational speed.

처리 챔버(12)는 중앙 드럼(20)과 제1 및 제2 원추대부(22, 24)을 포함하는 3개 부분 모듈 구성이다. 처리 챔버(12)가 회전하는 것이 가능하도록, 제1 원추대부(22)는 리시빙 부분(16)과 접촉하고, 제2 원추대부(24)는 리시빙 부분(14)과 접촉한다. 드럼(20)과 제1 및 제2 원추대부들(22, 24)은 스테인리스 스틸과 같은 어떠한 적절한 재질로도 형성될 수 있다.The process chamber 12 is a three part modular configuration comprising a central drum 20 and first and second conical portions 22, The first conical portion 22 is in contact with the receiving portion 16 and the second conical portion 24 is in contact with the receiving portion 14 so that the processing chamber 12 can rotate. The drum 20 and the first and second conical portions 22, 24 may be formed of any suitable material, such as stainless steel.

도 6은 드럼(20)의 내부 구성을 보다 상세히 나타낸다. 특히, 드럼(20)은 원통형 부분(26) 및 제1 원형 엔드 플레이트(28)를 포함한다. 제1 엔드 플레이트(28)은 제1 원추대부(22)와 연통한다. 제2 원형 엔드 플레이트(미도시)는 제1 엔드 플레이트(28) 반대쪽에 있는 원통형 부분(26)의 단부에 위치하며 제2 원추대부(24)와 연통한다. 복수의 전극들(32)은 제1 엔드 플레이트 외부(28)에서 드럼(20)의 내부로 돌출한다. 전극들(28)은 원형 패턴으로 드럼(20)의 종방향 축 주위에 방사상으로 배치된다. 도 6에 도시된 바와 같이, 전극들은 동일한 간격으로 되어 있는데, 이것이 그렇게 되는 것은 중요한 것은 아니다. 전극들(28)은 제1 엔드 플레이트(28)의 원주방향 에지를 향하여 배치된다. 아래에서 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 이 구성은 플라즈마 처리를 수행하기 위하여 처리 챔버 내에 배치되는 파티클들의 교반을 제공하는데 바람직하다. 도면들에 도시된 실시예에서, 12개의 전극들의 구성이 처리 챔버 내로 돌출된다. 그러나 더 많거나 더 적은 수의 전극들이 사용될 수 있다. 도면들에 도시된 실시예에서, 전극들(32)은 스테인리스 스틸과 같은 전기 전도성 물질로 형성된다. 세라믹과 같은 전기 절연성 물질로 형성된 절연체 슬리브(34)가 각각의 전극(32)의 양단에 배치된다. 이 슬리브들은 전극들 상에 코팅되어 있을 수 있다. 전극들은 일반적으로 중요한 방식으로 챔버 내로 돌출되도록 배치되어야 한다. 전극들의 활성 플라즈마 생성 영역은 보론 실리케이트 글래스와 같은 전도성 세라믹 코팅물로 코팅될 수 있다. 이것은 원하지 않는 스퍼터링을 감소시키도록 작용할 수 있다.6 shows the internal structure of the drum 20 in more detail. In particular, the drum 20 includes a cylindrical portion 26 and a first circular end plate 28. The first end plate (28) communicates with the first conical portion (22). The second circular end plate (not shown) is located at the end of the cylindrical portion 26 opposite the first end plate 28 and communicates with the second conical portion 24. The plurality of electrodes 32 protrude from the first end plate outer 28 to the inside of the drum 20. The electrodes 28 are arranged radially around the longitudinal axis of the drum 20 in a circular pattern. As shown in Fig. 6, the electrodes are equally spaced, which does not matter. The electrodes 28 are disposed toward the circumferential edge of the first end plate 28. As will be described in more detail below, this configuration is desirable to provide agitation of particles disposed within the processing chamber to perform plasma processing. In the embodiment shown in the figures, the configuration of twelve electrodes is projected into the process chamber. However, more or fewer electrodes can be used. In the embodiment shown in the figures, the electrodes 32 are formed of an electrically conductive material such as stainless steel. An insulator sleeve 34 formed of an electrically insulating material such as a ceramic is disposed at each end of each electrode 32. These sleeves may be coated on the electrodes. The electrodes should be arranged so as to protrude into the chamber in a generally important manner. The active plasma generating region of the electrodes may be coated with a conductive ceramic coating such as a borosilicate glass. This can serve to reduce unwanted sputtering.

처리 챔버(12)로의 가스들의 공급 및 이로부터의 가스들의 배출이 복수의 가스 유입 라인(40)과 가스 전도 연결 상태에 있는 가스 유입 모듈(38)(또한 도 6에 도시됨)을 나타내는 도 7을 특히 참조하여 이제 설명될 것이다. 각각의 가스 유입 라인(40)은 전극(32)에 연결된다. 각각의 전극(32)은 중공형이어서, 각각의 전극(32)의 원위단에 있는 가스 출구 개구로 이어지는(미도시) 내부 가스 전도 도관(미도시)을 갖는다. 가스 유입 모듈(38)은 제1 원추대부(22) 내에 수용되고 하나 이상의 외부 가스 공급 소스(미도시)로부터 플라즈마 처리동안 사용되기 위한 가스를 공급받는다. 가스의 공급은 MFC(mass flow controller)와 같은 공지된 수단을 이용하여 제어될 수 있다.7 (a) and 7 (b) show a gas inlet module 38 (also shown in FIG. 6) in which the supply of gases to and from the process chamber 12 and the discharge of gases therefrom are in gas conduction with the plurality of gas inlet lines 40 Will now be described with particular reference thereto. Each gas inlet line 40 is connected to an electrode 32. Each electrode 32 is hollow and has an internal gas conduit (not shown) (not shown) leading to a gas outlet opening at the distal end of each electrode 32. The gas inlet module 38 is contained within the first conical portion 22 and is supplied with gas for use during plasma processing from one or more external gas supply sources (not shown). The supply of gas may be controlled using known means such as a mass flow controller (MFC).

제1 엔드 플레이트(28)는 그 안에 형성되는 배기구(42)를 갖는다. 도 8(b)에 도시된 바와 같이, 배기 포트(42) 내에 필터(44)가 배치돈다. 배기 포트(42)는 처리 챔버 내에 진공을 생성하고 능숙한 사람들에게 잘 알려진 방식으로 처리 가스들을 펌핑하기 위하여 사용되는 펌핑 장치(미도시)와 연결된다. The first end plate 28 has an exhaust port 42 formed therein. As shown in Fig. 8 (b), the filter 44 is disposed in the exhaust port 42. Fig. The exhaust port 42 is connected to a pumping device (not shown) used to create a vacuum in the process chamber and to pump the process gases in a manner well known to the skilled person.

회전가능한 드럼 챔버들이 상업적으로 이용가능하고 본 발명의 장치를 제조하기 위하여 적합화될 수 있다. 예를 들어, 회전하는 드럼 플라즈마 반응기는 제품명 "Tetra 150" (RTM)을 갖는 Diener Electronic GmbH & Co. KG, D-72224 Ebhausen(독일)에 의해 상업적으로 제조된다. 이 장치는 예를 들어 위에 설명된 복수의 전극을 제공하는 것에 의해 본 발명에 부합하여 적합화될 수 있다. Rotatable drum chambers are commercially available and may be adapted for manufacturing the apparatus of the present invention. For example, a rotating drum plasma reactor is available from Diener Electronic GmbH & Co. KG under the product name "Tetra 150" (RTM). KG, D-72224 Ebhausen (Germany). This device can be adapted in accordance with the present invention, for example, by providing a plurality of electrodes as described above.

사용에 있어서, 일정량의 출발 물질이 드럼(20)의 바닥 상에 배치된다. 챔버는 원하는 기준 압력으로 진공화되고, 프로세스 가스 또는 가스들이 전극들(32)을 관통하여 처리 챔버(20) 내로 도입된다. 처리 챔버(12)는 원하는 회전 속도로 회전한다. 파티클의 처리를 시작하기 위해 플라즈마가 각각의 전극(32)에서 형성된다. 파티클의 처리 동안, 전극들(32)은 회전하고, 이는 처리 챔버 내에 일정량의 파티클들을 지속적으로 교반하기 위하여 작용한다. 파티클은 이 교반을 통해 예를 들어 파티클의 옆으로의 이동이나 파티클들이 챔버 내부 위쪽으로 날려지는 형태와 같이 물리적으로 수송될 수 있다. 스쿠프들(36)은 프로세스에서 중요하게 보조할 수 있다.In use, a quantity of starting material is placed on the bottom of the drum 20. The chamber is evacuated to the desired reference pressure and process gases or gases are introduced into the processing chamber 20 through the electrodes 32. The processing chamber 12 rotates at a desired rotation speed. Plasma is formed in each electrode 32 to begin processing the particles. During processing of the particles, the electrodes 32 rotate, which acts to continuously agitate a certain amount of particles within the processing chamber. Particles can be physically transported through this agitation, for example, as the particles move sideways or as particles are blown up inside the chamber. The scoops 36 may be of significant assistance in the process.

도 5 내지 도 7에 도시된 실시예에서, 글로 방전 플라즈마들은 각각의 전극(32)에서 형성된다. RF 파워는 전극(32)에 인가된다. 13.56 MHz와 같은 편리한 RF 주파수가 사용될 수 있다. 전극들(32)은 이에 의해 글로 방전 시스템에서 작동 전극들로서 작용한다. 상대-전극이 제공되고, 편리하게는 이것은 보론 실리케이트 글래스와 같은 전도성 세라믹으로 코팅될 수 있는 드럼(20)의 내측 표면이 될 수 있다. RF 파워는 전극들(32) 상에 네가티브 DC 바이어스 전압을 확립하고 이에 의해 전극들은 플로 방전 시스템에서 캐소드들로서 작용한다. 또한 글로 방전 플라즈마들을 얻기 위하여 전극들(32)을 관통하여 DC 전압의 인가하는 것과 같은 다른 방법을 사용하는 것도 가능하다. 플라즈마의 다른 형태가 대신 활용될 수 있다. In the embodiment shown in Figs. 5-7, glow discharge plasma is formed at each electrode 32. Fig. The RF power is applied to the electrode 32. Convenient RF frequencies such as 13.56 MHz can be used. The electrodes 32 thereby act as working electrodes in the glow discharge system. A counter-electrode is provided, conveniently this can be the inner surface of the drum 20, which can be coated with a conductive ceramic such as boron silicate glass. The RF power establishes a negative DC bias voltage on the electrodes 32 so that the electrodes act as cathodes in the flow discharge system. It is also possible to use other methods such as applying DC voltage through the electrodes 32 to obtain glow discharge plasmas. Other forms of plasma may be utilized instead.

각각의 전극(32) 주위에 국부적인 플라즈마가 생성되지만, 공정 조건은 이러한 플라즈마가 별개이고 서로 분리되도록 선택된다. 이 방식으로, 각각의 전극은 활성 전자들, UV 포톤들, 이온들 및 전형적으로, 반응성 중성종들의 구름들을 포함하는 플라즈마 할로(halo)로 둘러싸인다. 이 풍부한 플라즈마는 복합 재료를 제조하는데 이용된다. 다중 전극들의 사용은 전자 구름들 및 플라즈마와 관련된 다른 유용한 종들의 수를 증대시키고, 이것은 공정 효율에 유리한 효과를 갖는다. 추가로, 처리되는 파티클들을 교반하기 위해 전극들의 사용은 또한 공정 효율 상의 유리한 효과 뿐만 아니라 얻어지는 결과물을 향상시킨다.Although localized plasma is generated around each electrode 32, process conditions are selected such that these plasmas are separate and separate from each other. In this way, each electrode is surrounded by a plasma halo containing active electrons, UV photons, ions and, typically, clouds of reactive neutral species. This abundant plasma is used to make composite materials. The use of multiple electrodes increases the number of electron clouds and other useful species associated with the plasma, which has an advantageous effect on process efficiency. In addition, the use of electrodes to agitate the particles to be treated also improves the result, as well as the beneficial effect of process efficiency.

장치는 흑연계 출발 물질을 박리하는데 사용될 수 있다. 적어도 공정 초기 단계에서는 타겟 물질의 이온 충돌 및 이온 층간삽입을 가능하게 하기 위해 전형적으로 높은 플라즈마 파워가 활용된다. 예를 들어, 2000W까지의 파워가 사용될 수 있다. 효과적인 충돌 및 층간삽입은 흑연과 같은 출발 물질이 박리되는 것을 야기한다. 특정한 이론 또는 추측에 제한되는 것을 바랄 것도 없이, 이것의 결과가 박리된 층들 상에 순 음전하가 부여되어 그들이 서로 밀어낼 수 있다라는 것이 믿어진다. 또한 더 멀리 인접한 층들을 밀기 위하여 스톤 웨일즈 힘들이 사용된다. 이 전하는 인력의 반데르발스 힘을 극복하여, 박리에 의해 제조된 파티클들이 재응집되는 보통의 경향을 지연시킨다. 아르곤 또는 산소에서 형성되는 플라즈마가 박리를 생성하는데 효과적이다. The apparatus may be used to peel off the graphite starting material. At least in the early stages of the process, typically high plasma power is utilized to enable ion bombardment of the target material and inter-ion intercalation. For example, up to 2000 W of power can be used. Effective impact and interlaminar insertions cause the starting material, such as graphite, to peel off. Without wishing to be bound by any particular theory or conjecture, it is believed that the result of this is that a net negative charge is imparted on the separated layers so that they can push each other out. StoneWales forces are also used to push farther adjacent layers. This charge overcomes Van der Waals' force of attraction, delaying the usual tendency for particles produced by exfoliation to re-agglomerate. Plasma formed from argon or oxygen is effective in producing exfoliation.

클리닝 단계는 박리 단계 이전에, 동안에 또는 이후에 제공될 수 있다. 산소 플라즈마는 클리닝의 유리한 수단이다. 대표적인 그렇지만 제한되지 않는 공정 조건들은 1.5 Torr의 압력에서 약 30분동안 120W의 플라즈마 파워로 100℃보다 낮은 온도이다. 더 높은 파워가 사용될 수 있다.The cleaning step may be provided before, during, or after the peeling step. Oxygen plasma is an advantageous means of cleaning. Typical but non-limiting process conditions are temperatures below 100 ° C with a plasma power of 120 W for about 30 minutes at a pressure of 1.5 Torr. Higher power can be used.

추가의 가능성은 진공 전달 또는 다른 적절한 수단을 이용하여 다중-전극 처리 챔버로부터 최종 단계 처리 챔버까지 나노파티클을 배출하는 것이다. 최종 처리 챔버는 예를 들어 원하는 물질로 나노파티클들을 데코레이트하기 위한 것과 같은 추가의 처리 조건을 제공할 고온 공정이 가능해지도록 사용될 수 있다. 최종 단계 처리는 마이크로웨이브 유도 플라즈마 처리가 될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 최종 처리 챔버는 글래스 윈도우 및 세라믹 또는 글래스로 코팅된 내부 표면을 가질 수 있다. 마이크로웨이브 에너지를 윈도우를 통하여 챔버 내부로 결합시키기 위해 적절한 웨이브 가이드가 사용된다. 최종 처리 챔버는 나노파티클들을 교반하기 위하여 회전하도록 구성될 수 있다. 이 목적을 위해 위에서 설명된 FER 500 제품의 수정된 버전이 사용될 수 있다. 다른 대안적으로, 이와 같은 최종 처리 단계는 원래의 처리 챔버 내에서 수행될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 원래의 처리 챔버에는 마이크로웨이브 유도 플라즈마를 생성하기 위한 마이크로웨이브 수단이 구비된다. 전극들이 예를 들어 보론 실리케이트와 같은 전도성 글래스와 같은 적합한 재질로 형성된다면 이 목적을 위해 다중-전극 배열이 사용될 수 있다.A further possibility is to discharge nanoparticles from the multi-electrode processing chamber to the final stage processing chamber using vacuum transfer or other suitable means. The final processing chamber may be used to enable a high temperature process to provide additional processing conditions, such as, for example, to decorate nanoparticles with a desired material. The final stage treatment may be a microwave induced plasma treatment. In these embodiments, the final process chamber may have a glass window and an inner surface coated with a ceramic or glass. A suitable waveguide is used to couple the microwave energy into the chamber through the window. The final processing chamber may be configured to rotate to agitate the nanoparticles. A modified version of the FER 500 product described above may be used for this purpose. Alternatively, such a final processing step may be performed in the original processing chamber. In these embodiments, the original processing chamber is provided with microwave means for generating a microwave induced plasma. A multi-electrode arrangement may be used for this purpose if the electrodes are formed of a suitable material such as, for example, a conductive glass such as boron silicate.

공정 동안의 잠재적 문제점은 전극들의 전기적 쇼트이다. 이는 적어도 공정이 계속됨에 따라 플라즈마 파워를 감소시키는 것에 의해 적어도 개선될 수 있다. 공정 동안 물질 부피가 증가한다면 쇼트발생 가능성이 증가하는데, 이는 탈응집 및/또는 탈집합이 발생한다면 발생하기 쉽다. 채택될 수 있는 한가지 접근은 나노파티클의 부피가 증가함에 따라 플라즈마 파워를 감소시키는 것이다. 예를 들어, 나노 파티클의 부피와 인가되는 플라즈마 파워 간의 역 상관관계, 또는 규칙적인 연구에 의해 결정되는 다른 상관관계가 이어질 수 있다.A potential problem during the process is the electrical shorting of the electrodes. This can at least be improved by at least reducing the plasma power as the process continues. Increasing the volume of material during the process increases the likelihood of short-circuiting, which is likely to occur if de-agglomeration and / or desorption occurs. One approach that can be employed is to reduce the plasma power as the volume of nanoparticles increases. For example, there may be an inverse correlation between the volume of nanoparticles and the applied plasma power, or other correlation as determined by routine study.

제1 및 제2 The first and second 흑연계Black linkage 물질의 제조 Manufacture of materials

가스가 1500 sccm(standard cubic centimetres per minute) 까지의 유량으로 챔버(12) 내에 투입된다.The gas is introduced into the chamber 12 at a flow rate of up to 1500 sccm (standard cubic centimeters per minute).

예를 들어 도 8에 도시된 바와 같은 공지된 그래핀 스택(50)과 같은 흑연계 물질은 출발 물질로서 플라즈마 챔버(12) 내에 배치된다. 이후 흑연계 물질을 클리닝하기 위해 산소 플라즈마 프로세스가 최소 10분 최대 60분동안 적용된다. 반응기 배럴은 30 rpm보다 높게 회전하였다. 산소 사이클동안 UV 포톤 및/또는 이온들은 표면에 충돌하여 산소 그룹을 위한 사이트를 제공하는 모노, 디 및 트리 공공을 생성한다.A graphite based material, such as, for example, a known graphene stack 50 as shown in FIG. 8, is disposed in the plasma chamber 12 as a starting material. The oxygen plasma process is then applied for a minimum of 10 minutes and a maximum of 60 minutes to clean the graphite material. The reactor barrel rotated higher than 30 rpm. During the oxygen cycle, UV photons and / or ions impinge on the surface to create mono, di, and tri-pores that provide sites for oxygen groups.

이후 아르곤 박리 사이클이 클리닝 공정과 유사한 프로세스들 및 조건들 하에서 실행된다. 박리 공정은 그래핀 스택들이 트위스트 및 버클(twist and buckle)되도록 하여 그래핀 플레이크들을 제공하는데, 층들 간의 일부 간격들은 다른 층들 간의 간격보다 현저히 크다. 아르곤 박리 사이클은 또한 추가의 공정 단계동안 흑연계 물질의 표면에 원하는 데코레이트를 결합하기 위한 자리를 남겨두면서, 산소 그룹을 제거하기는 효과를 갖는다. 2000 W까지의 파워가 적용되었고 0.4 내지 1.5 Bar 범위의 반응기 압력 및 1500 sccm까지의 가스 유량이 채용되었다. 이후 스택의 외부 및 내부가 원하는 전기활성 물질로 층간삽입 및 데코레이트되었다. 이 층간삽입 및 데코레이션은 적절한 전기활성 물질을 수송하는 화합물들의 해리된 분자들이 풍부한 플라즈마 환경에서 제공된다. 데코레이션 및 층간삽입은 최소 10분 내지 최대 60분동안 적용된다.The argon stripping cycle is then carried out under similar processes and conditions as the cleaning process. The stripping process causes the graphene stacks to twist and buckle to provide graphene flakes, with some spacing between the layers being significantly greater than the spacing between the other layers. The argon stripping cycle also has the effect of removing oxygen groups, leaving room for bonding the desired decorate to the surface of the graphite material during further processing steps. Up to 2000 W of power was applied and reactor pressures in the range of 0.4 to 1.5 Bar and gas flow rates up to 1500 sccm were employed. The exterior and interior of the stack were then intercalated and decoratable with the desired electroactive material. This intercalation and decorating is provided in a plasma environment enriched with dissociated molecules of compounds that transport appropriate electroactive materials. Decoration and interlayer inserts are applied for a minimum of 10 minutes to a maximum of 60 minutes.

그래핀 스택 내에서 흑연계 물질의 개구 및 전기활성 물질의 층간삽입은 동시에 발생한다.The opening of the graphite material and the intercalation of the electroactive material within the graphene stack occur simultaneously.

이후 내측 데코레이트를 온전하게 남겨두면서 외측 전기활성 데코레이트를 제거하는 제2 산소 프로세스가 적용된다. 이 프로세스는 10 내지 60분동안 적용된다.A second oxygen process is then applied to remove the outer electroactive decolate while leaving the inner decolor intact. This process is applied for 10 to 60 minutes.

반응기로부터의 결과물은 물결 모양의 흑연계 구조물 내에 층간삽입된 전기활성 요소들을 포함하는 파우더 파티클 형태의 복합 재료이다. 파우더를 형성하기 위해 복수의 복합 재료들(1)이 이용된다. The result from the reactor is a composite material in the form of a powder particle containing interlayer intercalated electroactive elements in a wavy graphite structure. A plurality of composite materials 1 are used to form the powder.

파티클particle 디스퍼션의Dispersed 제조 Produce

이후 예를 들어 PTFE와 같은 바인더 물질(미도시)이 유기 용매와 혼합되고 파우더가 (액체 매질인) 용액에 첨가되어 슬러리를 얻기 위해 3시간동안 밀링된다. 결과적인 파티클 디스퍼션은 표면 전달가능 물질로 이용된다. A binder material (not shown), for example PTFE, is then mixed with the organic solvent and the powder is added to the solution (which is a liquid medium) and milled for 3 hours to obtain a slurry. The resulting particle dispersion is used as a surface transferable material.

전극의 제조Manufacture of electrodes

도 9에 도시된 바와 같은 전극(51)을 형성하기 위해, 슬롯 다이 코팅 기술을 이용하여 슬러리(미도시)가 전도성 기판 상에 분사되거나, 대안적으로 사전에 전도성 물질로 처리된 비-전도성 기판에 슬러리가 도포될 수 있다. 전극(51) 코팅물은 125℃에서 5분동안 진공 하에서 건조된다. 이는 기판(48) 상에 균질한 막 또는 층을 형성한다. 코팅 공정은 원하는 두께의 코팅이 얻어질 때까지 반복된다. 적합한 코팅 두께는 0.3 마이크론 내지 25 마이크론 범위이다.In order to form the electrode 51 as shown in Fig. 9, a slurry (not shown) is sprayed onto the conductive substrate using a slot die coating technique, or alternatively a non-conductive substrate The slurry can be applied. The electrode (51) coating is dried under vacuum at 125 캜 for 5 minutes. Which forms a homogeneous film or layer on the substrate 48. The coating process is repeated until a coating of the desired thickness is obtained. Suitable coating thicknesses range from 0.3 micron to 25 microns.

복수의 복합 재료들을 결합한 슬러리의 형성은 현재의 프린팅 또는 코팅 기술이 빠른 그리고 쉽게 재생할 수 있는 전극들(51)의 제조를 가능하게 하는데 활용되는 것을 가능하게 한다. The formation of a slurry combining a plurality of composite materials enables current printing or coating techniques to be utilized to enable the production of electrodes 51 that can be quickly and easily regenerated.

애노드의Anode 제조 Produce

방법 1Method 1

애노드(49)를 위하여, 도 10에 도시된 바와 같이, 선택의 전기활성 물질은 복합 재료(1)를 형성하기 위하여 파쇄성 있는 그래핀 층들(5) 사이에 데코레이션 및 층간삽입에 의해 그리고 그것의 외측 표면(11) 상에 증착되는 실리콘(10)이다. 복합 재료(1)의 제1 및 제2 물질(2, 3)은 위에 설명된 바와 같이 제조되었다. 아르곤 박리 단계 이후, 아르고 캐리어 가스 내의 헥사메틸디실록산이 버블러 시스템을 통하여 챔버(12) 내에 도입되었다. 플라즈마는 마지막 10~60분 처리 동안 생성되었다. 1 rpm으로 리액터를 회전시키는 것이 나노파티클들을 플라즈마에 균등하게 노출하지만 UV 포톤에 과다 노출을 피하는데에 유리하다는 것이 발견되었다. 결과 물질은 실질적으로 실리콘(10)으로 코팅된 복합 재료들(1)을 포함한다. For the anode 49, as shown in FIG. 10, the electroactive material of choice is formed by decorating and intercalation between the friable graphene layers 5 to form the composite 1, (10) deposited on the outer surface (11). The first and second materials 2, 3 of the composite material 1 were prepared as described above. After the argon stripping step, hexamethyldisiloxane in the argon carrier gas was introduced into the chamber 12 through the bubbler system. Plasma was generated during the last 10 to 60 minutes of treatment. It was found that rotating the reactor at 1 rpm evenly exposes the nanoparticles to the plasma but is advantageous to avoid overexposure to UV photons. The resulting material comprises composite materials (1) substantially coated with silicon (10).

실리콘이 코팅된 복합 재료는 마이크로웨이브 처리를 이용한 추가 처리 단계를 받는다. 가장 구체적으로, 상기 물질은 마이크로웨이브 유도 플라즈마를 받는다. 이것은 도 4 및 도 10에 도시된 바와 같이 흑연계 물질의 표면 상에 실리콘 나노-포드의 형성을 가져온다.Silicon-coated composites are subjected to further processing steps using microwave processing. Most particularly, the material is subjected to a microwave induced plasma. This leads to the formation of silicon nano-pods on the surface of the graphite-based material as shown in Figs. 4 and 10. Fig.

방법 2Method 2

흑연계 출발 물질은 아르곤 가스로 클리닝되고 클리닝된 흑연계 물질은 이어서 산소 가스로 기능화된다. 폴리디메틸디실록산 헥사메틸디실록산 증기가 이후 플라즈마 챔버로 공급된다. 결과적인 물질은 실질적으로 실리콘(10)으로 층간삽입되고 코팅된 복합 재료(1)를 포함한다.The graphite starting material is cleaned with argon gas and the cleaned graphite material is then functionalized with oxygen gas. Polydimethyldisiloxane hexamethyldisiloxane vapor is then supplied to the plasma chamber. The resultant material comprises a composite material (1) interlaminarly interposed and coated with silicon (10).

방법 1 및 방법 2 모두에서, 실리콘은 실리콘의 서브-마이크론 사이즈의 포드의 형태이고, 이는 그들 자체를 물결모양 스택의 상부 및 하부 표면들 박히게 하는 복수의 별개 또는 "아일랜드" 구조이다. 나노-포드는 표면 상의 매우 얇고 비연속적인 층으로서 실리콘의 두꺼운 층보다 더 내구성 있고 자기-회복적이며, 이에 의해 실리콘의 팽창 및 수축을 통해 형성되는 어떠한 크랙도 회복될 수 있다. 실리콘은 500nm보다 작은 그리고 종종 100 nm보다 작은 크기를 갖는 복수의 별개의 "나노-포드"로 존재하는 것으로 보여질 수 있다. 이것은 실리콘 나노-포드들이 서로 독립적으로 팽창 및 수축할 수 있는 것과 같은 유용한 특징들을 가져오며, 그래핀(8)은 실리콘의 팽창 및 수축의 악영향을 제거하는 안정된 구조를 제공한다. 따라서, "아일랜드" 실리콘은 그래핀의 구조적 온전성에 영향을 미치지 않으면서 팽창 및 수축에 대하여 자유롭다. 이는 물질(1)이 최소한의 구조적 데미지를 가지고 다중 충전/방전 사이클에 대처할 수 있는 안정된 애노드를 형성하는데 적용할 수 있는 잠재성을 제공한다. 따라서, 많은 수의 리튬 이온들이 전극 내에 수용되며 그래핀 시트의 유연성 및 포드들 간의 공간은 실리콘의 부피 변화를 수용할 수 있어, 사이클 동안의 부피 영향을 완화할 수 있다. In both Method 1 and Method 2, the silicon is in the form of a sub-micron sized pod of silicon, which is a plurality of discrete or "island" structures that themselves impinge on the top and bottom surfaces of the wavy stack. The nano-pod is a very thin, discontinuous layer on the surface that is more durable and self-healing than a thick layer of silicon, so that any cracks formed through the expansion and contraction of the silicon can be recovered. Silicon can be seen to exist as a plurality of distinct "nano-pods" having sizes less than 500 nm and often less than 100 nm in size. This results in useful features such that the silicon nano-pods can expand and contract independently of each other, and the graphene 8 provides a stable structure that eliminates adverse effects of expansion and contraction of the silicon. Thus, "island" silicon is free of expansion and contraction without affecting the structural integrity of the graphene. This provides the potential for material 1 to be applied to form stable anodes that have minimal structural damage and can cope with multiple charge / discharge cycles. Therefore, a large number of lithium ions are accommodated in the electrode, and the flexibility of the graphene sheet and the space between the pods can accommodate the volume change of the silicon, thereby alleviating the volume effect during the cycle.

그래핀(8)의 높은 전도도는 전자의 흐름을 가능하게 하는 반면, 실리콘의 높은 용량의 나노-포드는 리튬 이온 저장을 제공한다.The high conductivity of graphene 8 allows electrons to flow, while the high capacity nano-pods of silicon provide lithium ion storage.

애노드에서 이온들의 정체를 방지하는 물결모양의 그래핀 시트(8)에서 자유 이온들이 결함들 또는 홀들을 통해 돌아다니는 것이 허용되고 이에 의해 실질적으로 전지가 재충전되는데 소요되는 시간을 감소시킨다. 이온들의 자유로운 방해받지 않는 이동은 또한 충전 과정동안 생성되는 온도 상승의 위험을 저감한다. 궁극적으로 위에 언급된 이익에 비추어 볼 때, 이 복합 재료(1)는 향상된 애노드(49) 효율을 제공한다.Free ions are permitted to roam through defects or holes in the wavy graphene sheet 8, which prevents the ions from stagnating at the anode, thereby substantially reducing the time it takes to recharge the cells. The free unobstructed migration of ions also reduces the risk of temperature build up during the charging process. Ultimately, in light of the above mentioned benefits, this composite material 1 provides improved anode 49 efficiency.

캐소드의Cathode 생성 produce

도 11에 도시된 바와 같이, 캐소드(52)를 위해, 선택 전기활성 물질(또는 활성 캐소드 요소)은 황(53)이다. 황(53)은 파우더 형태로 플라즈마 챔버(12) 내로 도입된다. 챔버(12) 내로 도입되는 황(53)과 흑연계 스택들(2, 3)의 비는 20wt% 내지 80wt%이다. 이후 황(53)을 메이저 간격(4)을 갖는 흑연계 스택에 적용하기 위한 승화 프로세스가 수행된다. 자유 황 파티클은 황을 보유하면서도 사이클링동안 요구되는 전기적 컨택을 제공하는 수단을 제공하는 전극 탄소 건축적 구조들 또는 간격들 내에 실질적으로 포획된다. 황(53)은 층들(5, 5a)의 표면에 공유결합된다. 또한, 자유 황은 물결모양의 스택 구조의 갭들(4) 내에 삽입되고 탄소계 구조물에 결합된 황의 파티클에 대한 끌림에 기인하여 그 안에서 탄탄히 지탱된다. 황/그래핀 복합재 구조물은 어떠한 폴리설파이드 중간물질도 흡착한다. (적어도) 이 캐소드 구성(52)은 캐소드의 높은 쿨롱 효율뿐만 아니라 캐소드의 긴 사이클 수명의 제공 모두를 보호하면서, 황의 소멸 손실을 현저히 감소시킨다. 이는 결과적으로 향상된 캐소드(52) 효율을 갖는 안정한 탄소 황 전극을 제공한다. As shown in FIG. 11, for the cathode 52, the selected electroactive material (or active cathode element) is sulfur 53. Sulfur 53 is introduced into the plasma chamber 12 in powder form. The ratio of sulfur 53 and graphite stacks 2, 3 introduced into the chamber 12 is 20 wt% to 80 wt%. Subsequently, a sublimation process is performed to apply the sulfur 53 to the graphite stack with the major gap 4. The free sulfur particles are substantially trapped within the electrode carbon architectural structures or spaces that provide the means to provide the electrical contact required during cycling while retaining sulfur. Sulfur 53 is covalently bonded to the surface of layers 5 and 5a. In addition, the free sulfur is inserted into the gaps 4 of the wavy stack structure and is firmly supported therein due to attraction of the sulfur particles bonded to the carbon-based structure. The sulfur / graphene composite structure adsorbs any polysulfide intermediate. (At least) the cathode arrangement 52 significantly reduces sulfur decay loss while protecting both the high Coulomb efficiency of the cathode as well as the long cycle life of the cathode. This results in a stable carbon-sulfur electrode with improved cathode 52 efficiency.

리튬 이온 전지의 제조Manufacture of lithium ion battery

도 12에 도시된 바와 같은, 리튬 이온 전지(54)는 다각의 금속 하우징(미도시) 내에 수용된 다중 리튬 이온 셀들(단지 하나만 도시됨)로 형성된다. 리튬 이온 셀은 3개의 시트 요소이다. 다수의 3개 시트 요소들은 함께 프레스되고 금속 하우징 내에 위치하는데 3개 시트 요소는 양극(애노드)(49), 음극(캐소드)(52) 및 세퍼레이터(55)로 구성된다. 3개 시트 요소들은 금속 케이스(미도시) 내에 있는 전해질(56) 내에 침지된다.As shown in FIG. 12, a lithium ion cell 54 is formed of multiple lithium-ion cells (only one is shown) housed in a multiple metal housing (not shown). The lithium ion cell is three sheet elements. A plurality of three sheet elements are pressed together and located in the metal housing, the three sheet elements being comprised of a cathode (anode) 49, a cathode (cathode) 52 and a separator 55. The three sheet elements are immersed in an electrolyte 56 in a metal case (not shown).

전해질(56)은 예를 들어 수계 겔과 같이, 예를 들어 리튬과 같은 이온화가능 종을 함유하는 구조화된 겔이다. 도 12는 전해질이 리튬 설파이드가 되는 것을 나타낸다. 세퍼레이터(54)는 이온(57)이 이를 통과하는 것을 가능하게 하면서, 애노드(49)를 캐소드(52)로부터 분리하는 미세 다공질 고분자 재질의 매우 얇은 시트이다. 도 12에 도시된 바와 같은 고분자(55)는 폴리에틸렌이다.Electrolyte 56 is a structured gel containing ionizable species, such as, for example, lithium, such as, for example, water-based gels. 12 shows that the electrolyte becomes lithium sulfide. The separator 54 is a very thin sheet of microporous polymeric material that separates the anode 49 from the cathode 52 while allowing ions 57 to pass therethrough. The polymer 55 as shown in Fig. 12 is polyethylene.

음극은 위에 설명된 황이 층간삽입된 캐소드(52)이고 양극은 위에 설명된 실리콘이 층간삽입된 애노드(49)이고, 따라서 캐소드(52) 및 애노드(49) 양자에는 전기활성 물질(6, 7)이 구비된다. The cathode is the sulfur intercalated cathode 52 described above and the anode is the intercalated anode 49 as described above so that both the cathode 52 and the anode 49 contain the electroactive material 6,7, Respectively.

전지 충전에 따라, 이온들(57)은 양극(49)로부터 전해질(56)을 관통하여 음극(52)으로 이동하고 그 자체가 흑연계 물질(2, 3)에 부착된다. 방전동안, 리튬 이온들(57)은 캐소드(52)로부터 전기활성 애노드(49)로 반대로 이동하고 부하(58)에 파워를 제공한다. Depending on the battery charge, the ions 57 pass from the anode 49 through the electrolyte 56 to the cathode 52 and are themselves attached to the graphite materials 2, 3. During the discharge, the lithium ions 57 move from the cathode 52 to the electroactive anode 49 and provide power to the load 58.

본 발명의 실리콘 데코레이트된/층간삽입된 애노드(49)와 황 데코레이트된/층간삽입된 캐소드(52)는 배터리(54)가 재생산하기 쉽고 수행에 상대적으로 저렴한 비용이 드는 잘 확립된 인쇄 공정을 이용하여 제조되는 것을 가능하게 한다.The silicon-decolorized / interlayer intercalated anode 49 and the sulfur-decolorized / intercalated cathode 52 of the present invention provide a well-established printing process in which the battery 54 is easy to reproduce and relatively cost- As shown in Fig.

위에 설명된 원리들에 대한 다양한 변형이 그 자체로 능숙한 사람들에게 제안될 것이다. 예를 들어, 그패핀 스택(50) 대신에, 흑연계 출발 물질은 탄소 파티클, 또는 탄소나노튜브의 풀러렌 또는 번들 또는 이들의 혼합물이 될 수 있다. 그러나, 각각의 경우에, 전기활성 파티클(6, 7)이 도입되기 앞서 공간 또는 간격(4)이 제공된다. 이는 데코레이트 주위의 래핑 구조에 의존하는, 이 분야에서 수행되는 알려진 기술들과 크게 다르다. Various modifications to the principles set forth above will be suggested to those skilled in the art. For example, instead of the packed stack 50, the graphite based starting material may be carbon particles, or fullerenes or bundles of carbon nanotubes, or mixtures thereof. However, in each case, a space or spacing 4 is provided before the electroactive particles 6, 7 are introduced. This is significantly different from known techniques performed in this field, depending on the wrapping structure around the decorate.

리튬 황 캐소드(52) 상에 사용되기 위한 복합 재료(1)를 위해 그래핀 스택은 대신 질소 도핑된 높은 황 함량으로 될 수 있다. 질소 도핑은 그래핀을 가로지르는 리튬 이온의 통과를 더 용이하게 하고 황과 근처의 질소 원자 간의 강한 화학적 결합에 기인하여 황의 침출 경항을 억제한다.For the composite material 1 to be used on the lithium sulfur cathode 52, the graphene stack may instead be nitrogen-doped with a high sulfur content. Nitrogen doping facilitates the passage of lithium ions across graphene and inhibits the leaching of sulfur due to strong chemical bonding between sulfur and nearby nitrogen atoms.

대안적으로, 습식 바인더(미도시)는 폴리우레탄, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐리덴 디플루오라이드, 스티렌-부타디엔 고무, 카르복시메틸 셀룰로오스 또는 폴리아닐린과 같은 전기를 전도하는 유기 고분자일 수 있거나, 바인더가 전혀 적용되지 않을 수도 있다. 사실, 절연 경향 때문에 바인더를 사용하지 않는 것이 더 바람직하다. 바인더 시스템의 선택은 궁극적으로는 수행되는 열가소성 또는 가교경화가능 고분자에 따를 것이다. Alternatively, the wet binder (not shown) may be an electrically conductive organic polymer such as polyurethane, polyethylene, polypropylene, polyvinylidene difluoride, styrene-butadiene rubber, carboxymethylcellulose or polyaniline, It may not apply at all. In fact, it is more preferable not to use a binder because of the insulation tendency. The selection of the binder system will ultimately depend on the thermoplastic or cross-linkable polymer being performed.

유기 물질 대신에, 바인더 및 복합 재료 혼합이 물에 추가될 수 있다.Instead of an organic material, a binder and a composite material mixture may be added to the water.

슬러리 대신에, 요구되는 레올로지에 따라 페이스트 또는 잉크를 형성하기 위해 파우더가 혼합될 수 있다. 원하는 기판 상에 쉽게 프린트될 수 있기 때문에, 잉크가 특히 흥미롭다.Instead of a slurry, the powder may be mixed to form a paste or ink according to the required rheology. The ink is particularly interesting because it can be easily printed on a desired substrate.

필요하다면 물결모양의 그래핀 스택(1a)에 이미 적용된 전기활성 물질에 더하여 추가적인 부피의 전기활성 물질이 슬러리에 첨가될 수 있다.If desired, an additional volume of electroactive material may be added to the slurry in addition to the electroactive material already applied to the wavy graphene stack 1a.

상기 코팅 방법은, 이는 고정 베드 또는 릴투릴 기술들을 이용하여 실행될 수 있고 슬롯 다이 인쇄에 대한 대안으로서 플렉소그래피 인쇄, 스크린 인쇄 또는 스텐실 인쇄를 포함할 수 있다.The coating method may be carried out using fixed bed or reel tuil techniques and may include flexographic printing, screen printing or stencil printing as an alternative to slot die printing.

가교가능한 바인더의 사용의 경우, 코팅은 (열가소성 바인더에 대하여 사용되는 기술인) 건조되는 대신 경화되어야만 한다.In the case of the use of a crosslinkable binder, the coating must be cured instead of dried (the technique used for thermoplastic binders).

명백한 바와 같이 다른 금속 산화물들이 애노드 및 캐소드에 적용되는 물질로 사용될 수 있다.As is evident, other metal oxides can be used as the material to be applied to the anode and cathode.

비드 밀링에 대한 대안으로서, 롤 밀링 또는 고속 디스퍼싱 기술에 의해 코팅이 형성될 수 있다.As an alternative to bead milling, the coating may be formed by roll milling or high speed dispensing techniques.

(슬러리 또는 잉크를 이용한) 습식 전극 형성 방법 대신에, 건식 방법이 수행될 수 있는데, 스택의 표면 상에 바인더를 갖는 복합 파티클의 표면을 데코레이트하기 위한 처리가 수행될 수 있다. 적합한 바인더는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 (니트릴 부타디엔 또는 스티렌 부타디엔 고무와 같은) 고무이다. 결과 물질은 이후 전극을 형성하기 위해 압축 몰딩되거나 주조된다. 이 건식 방법은 습식 방법에 비하여 더 높은 전극 비표면적, 더 높은 에너지 저장 용량 및 향상된 또는 더 높은 충진 밀도를 갖는 전극을 형성하는 무용매 공정이다. Instead of the wet electrode formation method (using slurry or ink), a dry method may be performed, in which processing to decorate the surface of the composite particle with the binder on the surface of the stack may be performed. Suitable binders are polyethylene, polypropylene or rubber (such as nitrile butadiene or styrene butadiene rubber). The resulting material is then compression molded or cast to form an electrode. This dry process is a solventless process that forms electrodes with higher electrode specific surface area, higher energy storage capacity, and improved or higher fill density than the wet process.

전지(53)의 고분자(54)는 열경화성 고분자 또는 열가소성 고분자일 수 있다. 고분자는 합성 또는 바이오폴리머와 같은 천연 고분자일 수 있다. 고분자는 에폭시계 고분자, 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌과 같은 폴리올레핀, 폴리우레탄, 폴리에스테르, 폴리아미드, 아크릴계 고분자 또는 메타크릴계 고분자가 될 수 있다. 고분자는 단중합체 또는 적절한 종류의 공중합체가 될 수 있다.The polymer 54 of the battery 53 may be a thermosetting polymer or a thermoplastic polymer. The polymer may be a natural polymer such as a synthetic or biopolymer. The polymer may be an epoxy-based polymer, a polyolefin such as polyethylene or polypropylene, a polyurethane, a polyester, a polyamide, an acrylic polymer or a methacrylic polymer. The polymer may be a homopolymer or a suitable type of copolymer.

전해질(55)은 수계 겔 대신, 비수계 겔이 될 수 있거나, 대신 디스퍼션, 이멀젼 또는 고체가 될 수 있다. 또한 이온화가능 종은 칼륨, 암모늄 또는 염들이 될 수 있다.Electrolyte 55 may be a non-aqueous gel instead of an aqueous gel, or it may be a dispersion, emulsion or solid. The ionizable species may also be potassium, ammonium or salts.

각형 금속 케이스(미도시) 대신에, 전지를 위해 원통형 케이스가 사용될 수 있고, 케이스 내에 위치하는 상기 3가지 요소들은 연속적인, 스파이럴 구조를 형성한다.Instead of a rectangular metal case (not shown), a cylindrical case may be used for the battery, and the three elements located in the case form a continuous, spiral structure.

본 발명의 대안적인 실시예에서, 단지 애노드(49)에만 전기활성 물질이 구비되고 캐소드(52)에는 어떠한 전기활성 물질이 적용되지 않는다. In an alternative embodiment of the invention, only the anode 49 is provided with an electroactive material and no electroactive material is applied to the cathode 52.

대안적으로, 제2 산소 처리가 제공되지 않고 복합 재료의 외측 표면(11)은 데코레이트(6)를 유지한다. 이 상황에서 전해질 오염으로부터 외측 표면을 보호하기 위해, 외측 보호층 또는 보호 물질(미도시)이 복합 재료(1)의 외측 표면에 적용될 수 있다. 예를 들어 보호층은 층간삽입 과정없이 그래핀 스택 구성을 제공하는 것에 의해 형성될 수 있다. 이 과정에서 스택의 표면은 질소나 아민과 같은 전도성을 증진시킬 수 있는 종들로 도핑된다. 플라즈마 챔버로부터의 결과물은 용액을 형성하기 위해 바인더와 결합되고 용매와 혼합될 수 있는 파우더 형태의 깨끗한 그래핀 스택이다. Alternatively, a second oxygen treatment is not provided and the outer surface 11 of the composite material retains decor 6. To protect the outer surface from electrolyte contamination in this situation, an outer protective layer or protective material (not shown) may be applied to the outer surface of the composite material 1. For example, the protective layer can be formed by providing a graphene stack configuration without an intercalation process. In this process, the surface of the stack is doped with species that can enhance conductivity such as nitrogen or amine. The result from the plasma chamber is a clean graphene stack in the form of a powder that can be combined with a binder and mixed with a solvent to form a solution.

따라서, 캐소드 및/또는 애노드는 흑연계 물질의 외측 표면 상에 데코레이트를 또한 포함할 수 있다. 애노드가 그것의 외측 표면 상에 전기활성 물질을 갖는 경우, 흑연계 탄소 외측 보호층(들)(1a)을 적용하는 것에 의해 실리콘 캡슐층이 제공된다. 유사하게, 캐소드(52)가 그것의 외측 표면 상에 전기활성 물질을 갖는 경우, 흑연계 탄소 보호 외부층 또는 외부층들(1a)을 적용하는 것에 의해 황 캡슐층이 제공된다. 한정되지 않는 수의 전기활성 층들 및 보호 코팅층들(요구된다면)은 전해질(55) 전기활성 물질 포화 및 반응의 악영향으로부터 전기활성 물질(6)의 보호를 증가시키는데 적용될 수 있다.Thus, the cathode and / or the anode may also include a decorate on the outer surface of the graphite material. When the anode has an electroactive material on its outer surface, a silicone capsule layer is provided by applying a graphite based carbon outer protective layer (s) 1a. Similarly, when the cathode 52 has an electroactive material on its outer surface, a sulfur capsule layer is provided by applying a graphite based carbon protective outer layer or outer layers 1a. An unlimited number of electroactive layers and protective coating layers (if desired) can be applied to increase the protection of the electroactive material 6 from the adverse effects of electrolyte 55 saturation and reaction.

대안적으로 복합 재료는 나노-복합 재료이고, 물질의 적어도 하나의 크기가 1000nm보다 작다.Alternatively, the composite material is a nano-composite material, and at least one size of the material is smaller than 1000 nm.

20% 황에서 80% 그래핀 스택이 리액터에서 황 승화를 가능하게 하는데 적합한 것으로 위에서 설명되었으나, 예를 들어 50/50과 같은 다른 비율이 원하는 대로 실행될 수 있다.Although a 20% sulfur to 80% graphene stack has been described above as being suitable for enabling sulfur sublimation in a reactor, other ratios such as, for example, 50/50, can be run as desired.

따라서, 리튬 이온 전지용 전극에서 복합 재료의 사용은 오래 지속되고 향상된 에너지 저장, 앞서 알려진 전지보다 빠른 충전이 되며 제조 비용 효율적인 전지를 제공하는 한편 최종적으로는 상업적으로 실현가능하다(또한 양산가능하다).Thus, the use of composites in electrodes for lithium ion batteries is long lasting, provides improved energy storage, faster charging than previously known batteries, and is cost-effective to manufacture and eventually commercially viable (and is also mass-producible).

황의 대안으로서, 활성 캐소드 요소는 대신 다음을 포함하는 그룹으로부터 선택될 수 있다: 코발트계 리튬-이온 LiC002(LCO), 니켈 코발트 알루미늄(NCA), 스피넬계 리튬-이온 LiMn204(LMO), 니켈 코발트 망간(NCM) 또는 리튬 철 포스페이트(LFP).As an alternative to sulfur, the active cathode element may alternatively be selected from the group consisting of: cobalt based lithium-ion LiCOO 2 (LCO), nickel cobalt aluminum (NCA), spinel based lithium-ion LiMn 2 O 4 (LMO) , Nickel cobalt manganese (NCM), or lithium iron phosphate (LFP).

예를 들어 리튬 이온 전지와 같은 충전지 대신에, 대안적인 에너지 저장 장치가 본 발명의 복합 재료를 포함할 수 있다.For example, instead of a rechargeable battery such as a lithium ion battery, an alternative energy storage device may comprise the composite material of the present invention.

Claims (69)

전극 요소로 사용하기 위한 복합 재료로서,
실질적으로 분리되고 별개인 제1 및 제2 흑연계 물질이되, 상기 제1 흑연계 물질이 상기 제2 흑연계 물질로부터 이격된 제1 및 제2 흑연계 물질; 및
층간삽입에 의해 상기 제1 및 제2 흑연계 물질 사이의 공간에 배치되는 데코레이트를 포함하는, 복합 재료.As a composite material for use as an electrode element,
The first and second graphite materials being substantially separate and distinct from each other, the first graphite material being separated from the second graphite material; And
And a decorate disposed in a space between said first and second graphite-based materials by interlayer intercalation. 제1항에 있어서,
나노-복합 재료를 형성하도록 나노-스케일의 크기를 갖는, 복합 재료. The method according to claim 1,
A composite material having a nano-scale size to form a nano-composite material. 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제1 및 제2 물질은 동일한 물질인, 복합 재료.3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein the first and second materials are the same material. 제1항 내지 제3항에 있어서,
상기 제1 및 제2 물질은 플레이트릿같은, 복합 재료.4. The method according to any one of claims 1 to 3,
Wherein the first and second materials are planar. 제1항 내지 제4항에 있어서,
상기 제1 및/또는 제2 물질은 높낮이가 있는 구조를 갖는 복합 재료.The method according to any one of claims 1 to 4,
Wherein the first and / or second material has a raised structure. 제1항 내지 제5항 중 한 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 흑연계 물질은 스택의 제1 및 제2 층을 형성하도록 적층된 구조로 되어 있고 상기 데코레이트는 상기 스택의 제1 및 제2 층 사이에 위치하는, 복합 재료.6. The method according to one of claims 1 to 5,
Wherein the first and second graphite materials are stacked to form first and second layers of a stack and the decorate is located between first and second layers of the stack. 제6항에 있어서,
상기 제1 층은 제1 서브-구조물이고 상기 제2 층은 제2 서브-구조물이고, 상기 제1 및 제2 서브-구조물은 흑연계 물질층의 스택을 포함하고, 연속 적층된 서브-구조물들 간의 세퍼레이션은 각각의 서브-구조물에 있는 연속적인 흑연계 물질층 간의 세퍼레이션보다 더 큰, 복합 재료.The method according to claim 6,
Wherein the first layer is a first sub-structure and the second layer is a second sub-structure, wherein the first and second sub-structures comprise a stack of layers of graphitizable material, the successive stacked sub- Is greater than the separation between successive layers of graphite material in each sub-structure. 제7항에 있어서,
연속 적층된 서브-구조물들 간의 세퍼레이션은 가변적인, 복합 재료.8. The method of claim 7,
The separation between successive stacked sub-structures is variable. 제8항에 있어서,
연속 적층된 서브-구조물들 간의 세퍼레이션은 데코레이트를 수용할 수 있는 흑연계 물질의 표면적을 증대시키는, 복합 재료. 9. The method of claim 8,
Separation between consecutive stacked sub-structures increases the surface area of the graphite-based material capable of accepting decorate. 제7항 내지 제9항에 있어서,
연속 적층된 서브-구조물 간의 세퍼레이션은 2 내지 100 nm, 바람직하게는 5 내지 50 nm, 보다 바람직하게는 10 내지 30 nm, 가장 바람직하게는 10 내지 20 nm인, 복합 재료.10. The method according to any one of claims 7 to 9,
The separation between successive stacked sub-structures is 2 to 100 nm, preferably 5 to 50 nm, more preferably 10 to 30 nm, most preferably 10 to 20 nm. 제7항 내지 제10항에 있어서,
상기 서브-구조물 각각은 1 내지 15 nm, 바람직하게는 1 내지 4 nm의 두께를 갖는, 복합 재료.11. The method according to any one of claims 7 to 10,
Each of said sub-structures having a thickness of 1 to 15 nm, preferably 1 to 4 nm. 제7항 내지 제11항에 있어서,
각각의 서브-구조물은 2개 내지 12개의 흑연계 물질층, 바람직하게는 3개의 흑연계 물질층의 스택을 포함하는, 복합 재료.12. The method according to any one of claims 7 to 11,
Each sub-structure comprising a stack of two to twelve layers of graphite material, preferably three layers of graphite material. 제7항 내지 제12항에 있어서,
상기 서브-구조물은 나노-플레이트릿같은 서브-구조물인, 복합 재료.13. The method according to any one of claims 7 to 12,
Wherein said sub-structure is a sub-structure such as a nano-platelet. 제7항 내지 제13항에 있어서,
상기 서브-구조물 각각은 스택 두께를 갖고, 상기 스택 두께는 연속 적층된 서브-구조물들 간의 세퍼레이션보다 작은, 복합 재료.The method according to any one of claims 7 to 13,
Each of the sub-structures having a stack thickness, the stack thickness being smaller than a separation between successive stacked sub-structures. 제1항 내지 제14항 중 한 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 물질은 순 음전하를 갖는, 복합 재료.15. The method according to any one of claims 1 to 14,
Wherein the first and second materials have a net negative charge. 제1항 내지 제15항 중 한 항에 있어서,
상기 흑연계 물질은 그래핀인, 복합 재료.16. The method according to any one of claims 1 to 15,
Wherein the graphite-based material is graphene. 제1항 내지 제16항 중 한 항에 있어서,
상기 데코레이트는 전기활성 물질인, 복합 재료.17. The method according to any one of claims 1 to 16,
Wherein the decorate is an electroactive material. 제1항 내지 제17항 중 한 항에 있어서,
상기 제1 및/또는 제2 층은 이온 전달을 허용하기 위해 그 내부에 배치되는 홀들 또는 결함들을 포함하는, 복합 재료.18. The method according to any one of claims 1 to 17,
Wherein the first and / or second layer comprises holes or defects disposed therein to permit ion transport. 제1항 내지 제18항에 있어서,
파우더 파티클 형태인, 복합 재료.19. The method according to any one of claims 1 to 18,
Composite material in the form of powder particles. 제1항 내지 제19항 중 한 항에 있어서,
상기 복합 재료의 외측 표면은 실질적으로 데코레이트가 없는, 복합재료.20. The method according to any one of claims 1 to 19,
Wherein the outer surface of the composite material is substantially free from decorrelation. 제1항 내지 제20항 중 한 항에 있어서,
상기 스택의 표면은 바인더로 데코레이트된, 복합 재료.21. The method according to any one of claims 1 to 20,
Wherein the surface of the stack is decorated with a binder. 제21항에 있어서,
상기 바인더는 원하는 형태로 몰딩 또는 주조될 수 있는 고무, 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌 중 하나인, 복합 재료.22. The method of claim 21,
Wherein the binder is one of rubber, polyethylene or polypropylene that can be molded or cast into the desired shape. 액체 매질과 조합된 제1항 내지 제20항에 따른 적어도 하나의 복합 재료를 포함하는 파티클 디스퍼션.A particle dispersion comprising at least one composite material according to any one of claims 1 to 20 combined with a liquid medium. 제23항에 있어서,
상기 액체 매질은 용매인, 파티클 디스퍼션.24. The method of claim 23,
Wherein the liquid medium is a solvent. 제23항 또는 제24항에 있어서,
상기 복합 재료 및 상기 액체 매질은 슬러리를 형성하는, 파티클 디스퍼션.25. The method according to claim 23 or 24,
Wherein the composite material and the liquid medium form a slurry. 제23항 또는 제24항에 있어서,
상기 복합 재료 구조 및 액체 매질은 잉크를 형성하는, 파티클 디스퍼션.25. The method according to claim 23 or 24,
Wherein the composite structure and the liquid medium form an ink. 제1항 내지 제20항의 복합 재료를 포함하는 에너지 저장 장치에서 사용하기 위한, 전극.An electrode for use in an energy storage device comprising the composite material of any one of claims 1 to 20. 제21항 및 제22항의 복합 재료를 포함하는 에너지 저장 장치에서 사용하기 위한, 전극.22. An electrode for use in an energy storage device comprising the composite of any of claims 21 and 22. 제23항 내지 제26항의 파티클 디스퍼션을 포함하는, 에너지 저장 장치에서 사용하기 위한, 전극.An electrode for use in an energy storage device, comprising the particle dispersion of any one of claims 23 to 26. 제29항에 있어서,
상기 파티클 디스퍼션은 전도성 멤브레인의 표면에 적용되는, 에너지 저장 장치에서 사용하기 위한, 전극.30. The method of claim 29,
Wherein the particle dispersion is applied to a surface of a conductive membrane. 제27항 내지 제30항 중 한 항에 있어서,
상기 에너지 저장 장치는 충전지인, 전극.32. The method according to one of claims 27 to 30,
Wherein the energy storage device is a rechargeable battery. 제27항 내지 제31항 중 한 항에 있어서,
상기 에너지 저장 장치는 리튬 이온 전지인, 전극.32. The method according to one of claims 27 to 31,
Wherein the energy storage device is a lithium ion battery. 제27항 내지 제32항에 있어서,
상기 데코레이트 물질은 코발트계 리튬이온, 니켈 코발트 알루미늄, 스피넬계 리튬-이온, 니켈 코발트 망간, 리튬 철 포스페이트 및 황을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 활성 캐소드 요소이고 이에 의해 음극을 형성하는, 전극.33. The method according to any one of claims 27 to 32,
Wherein the decorate material is an active cathode element selected from the group consisting of cobalt based lithium ions, nickel cobalt aluminum, spinel based lithium ions, nickel cobalt manganese, lithium iron phosphate and sulfur, thereby forming a cathode. 제33항에 있어서,
상기 활성 캐소드 요소는 상기 제1 및 제2 물질의 표면에 공유결합된, 전극.34. The method of claim 33,
Wherein the active cathode element is covalently bonded to a surface of the first and second materials. 제33항 또는 제34항에 있어서,
질소를 포함하는, 전극.35. The method according to claim 33 or 34,
Wherein the electrode comprises nitrogen. 제27항 내지 제32항에 있어서,
상기 데코레이트는 실리콘인, 전극.33. The method according to any one of claims 27 to 32,
Wherein the decorate is silicon. 제36항에 있어서,
적용된 상기 실리콘은 실질적으로 구상형 구조를 갖는, 전극.37. The method of claim 36,
Wherein the applied silicon has a substantially spherical structure. 제36항 또는 제37항에 있어서,
상기 실리콘은 나노-포드 구조를 갖는, 전극. 37. The method of claim 36 or 37,
Wherein the silicon has a nano-pod structure. 제36항 내지 제38항에 있어서,
상기 제1 및 제2 물질 간의 간격은 충전/방전 사이클이 적용될 때 실리콘의 팽창 및 수축을 허용하는 적어도 0.5nm인, 전극.39. The method of claim 36,
Wherein the spacing between the first and second materials is at least 0.5 nm to allow for expansion and contraction of the silicon when a charge / discharge cycle is applied. 복합 재료 제조 방법으로서, 제1 및 제2 흑연계 물질 사이에 적어도 하나의 공간을 생성하는 단계 및 층간삽입에 의해 상기 적어도 하나의 공간에 전기활성 물질을 실질적으로 삽입하는 단계를 포함하는, 방법.A method of making a composite material, comprising: creating at least one space between first and second graphite materials; and substantially inserting an electroactive material into said at least one space by intercalation. 제40항에 있어서,
상기 제1 및 제2 흑연계 물질 사이에 적어도 하나의 공간의 생성 및 상기 적어도 하나의 공간에 상기 전기활성 물질의 층간삽입은 동시에 수행되는, 방법.41. The method of claim 40,
The generation of at least one space between the first and second graphite materials and the intercalation of the electroactive material into the at least one space are performed simultaneously. 제40항 또는 제41항에 있어서,
출발 물질이 플라즈마 처리를 받도록 하는 단계를 포함하는, 방법. 42. The method according to claim 40 or 41,
Thereby causing the starting material to undergo a plasma treatment. 제42항에 있어서,
상기 플라즈마 처리는 상기 출발 물질 및/또는 상기 복합 재료를 교반하기 위해 플라즈마 처리동안 움직이는 복수의 전극을 이용하여 플라즈마를 생성하는 단계를 포함하는, 방법.43. The method of claim 42,
Wherein the plasma treatment comprises generating a plasma using a plurality of electrodes moving during the plasma treatment to agitate the starting material and / or the composite material. 제42항 또는 제43항에 있어서,
상기 플라즈마 처리는 바람직하게는 산소 함유 가스 내에 있는 플라즈마, 가장 바람직하게는 산소 플라즈마를 이용한 클리닝 단계를 포함하는, 방법.44. The method of claim 42 or 43,
Wherein the plasma treatment preferably comprises a cleaning step using a plasma, most preferably an oxygen plasma, in an oxygen-containing gas. 제42항 내지 제44항 중 한 항에 있어서,
상기 플라즈마 처리는 바람직하게는 불활성 가스 플라즈마를 이용하여, 가장 바람직하게는 아르곤 플라즈마를 이용하여, 상기 출발 물질을 박리하기 위한 박리 플라즈마 단계를 포함하는, 방법.45. The method according to one of claims 42 to 44,
Wherein the plasma treatment comprises a stripping plasma step for stripping the starting material, preferably using an inert gas plasma, most preferably using an argon plasma. 제45항에 있어서,
복합 재료의 외측 표면에 위치하는 전기활성 물질을 실질적으로 제거하기 위한 제2 클리닝 공정을 포함하는 복합 재료를 추가로 포함하는, 방법.46. The method of claim 45,
Further comprising a second cleaning process for substantially removing the electroactive material located on the outer surface of the composite material. 제40항 내지 제46항에 있어서,
마이크로웨이브 유도 마무리 처리, 바람직하게는 마이크로웨이브 유도 플라즈마 처리를 포함하는, 방법.46. The method of claim 40,
Microwave induction finishing treatment, preferably microwave induced plasma treatment. 플라즈마 챔버에서 복합 재료 제조 방법으로서,
상기 챔버 내에 탄소계 원료 물질을 삽입하는 단계;
호스트 영역을 형성하기 위해 플라즈마의 인가로 상기 탄소계 원료 물질을 탄소 트위스팅 및 버클링하는 단계;
복합 재료를 형성하기 위해 상기 호스트 영역 내에 전기활성 물질을 삽입하는 단계를 포함하는, 복합 재료 제조 방법.A method of manufacturing a composite material in a plasma chamber,
Inserting a carbonaceous source material into the chamber;
Carbon twisting and buckling said carbonaceous source material with application of plasma to form a host region;
Inserting an electroactive material into the host region to form a composite material. 제48항에 있어서,
상기 탄소계 원료 물질 상에 클리닝 공정을 적용하는 단계를 추가로 포함하는, 복합 재료 제조 방법.49. The method of claim 48,
Further comprising the step of applying a cleaning process on the carbonaceous source material. 제49항에 있어서,
상기 전기활성 물질은 황의 승화에 의해 삽입되는, 복합 재료 제조 방법.50. The method of claim 49,
Wherein the electroactive material is inserted by sublimation of sulfur. 애노드를 형성하는 방법으로서,
플라즈마 챔버 내에 흑연계 물질을 배치하는 단계;
아르곤 가스의 존재 하에서 형성되는 플라즈마로 상기 흑연계 물질을 클리닝하는 단계;
산소 가스의 존재하에서 형성되는 플라즈마로 상기 흑연계 물질을 기능화시키는 단계; 및
상기 흑연계 물질 내에 실리콘을 삽입하기 위해 폴리디메틸디실록산 헥사메틸디실록산 증기를 플라즈마 챔버 내로 도입하는 단계를 포함하는, 애노드 형성 방법.A method of forming an anode,
Disposing a graphite material in the plasma chamber;
Cleaning the graphite based material with a plasma formed in the presence of argon gas;
Functionalizing the graphite based material with a plasma formed in the presence of oxygen gas; And
And introducing polydimethyldisiloxane hexamethyldisiloxane vapor into the plasma chamber to insert silicon into the graphite-based material. 플라즈마 챔버 내에서 흑연계 물질에 결함을 생성하는 방법으로서,
흑연계 물질에 결함을 생성하기 위해 플라즈마 챔버 내에서의 주위 온도보다 높은 전극에 근접한 영역에서의 국부적인 온도를 생성하기 위해, 전극에 근접한 영역에서 흑연계 물질과 국부적인 이온 빔, 전자들 또는 방사선 간에 충격을 제공하는 단계를 포함하는, 방법.A method of generating defects in a graphite material in a plasma chamber,
In order to create a local temperature in the region close to the electrode that is higher than the ambient temperature in the plasma chamber to create defects in the graphite material, it is desirable to use a combination of a graphite material and a local ion beam, Providing a shock to the liver. 제52항에 있어서,
상기 리액터 내에서 상기 주위 온도는 400K보다 낮고, 상기 전극에서 상기 국부적인 온도는 550K보다 높은, 방법.53. The method of claim 52,
Wherein the ambient temperature in the reactor is lower than 400K and the local temperature at the electrode is higher than 550K. 제53항에 있어서,
상기 국부적인 온도는 3000K보다 낮은, 방법.54. The method of claim 53,
Wherein the local temperature is less than 3000K. 제52항 내지 제54항 중 한 항에 있어서,
상기 국부적인 온도는 10 나노 초보다 짧은 시간동안 발생하는, 방법. 54. The method of one of claims 52-54,
Wherein the local temperature occurs for less than 10 nanoseconds. 제1항 내지 제22항 중 한 항의 복합 재료를 결합한, 에너지 저장 장치.22. An energy storage device incorporating the composite material of any one of claims 1 to 22. 제23항 내지 제26항의 파티클 디스퍼션을 포함하는, 에너지 저장 장치.26. An energy storage device comprising a particle dispersion according to any one of claims 23 to 26. 캐소드로서 제33항 내지 제35항 중 한 항에 따른 전극을 결합한, 에너지 저장 장치.35. An energy storage device incorporating an electrode according to any one of claims 33 to 35 as a cathode. 애노드로서 제36항 내지 제39항 중 한 항에 따른 전극을 결합한, 에너지 저장 장치.And an electrode according to any one of claims 36 to 39 as an anode. 제56항 내지 제59항 중 한 항에 있어서,
상기 에너지 저장 장치는 충전지인, 에너지 저장 장치.60. The method according to one of claims 56 to 59,
Wherein the energy storage device is a rechargeable battery. 제60항에 있어서,
상기 충전지는 리튬 이온 전지인, 에너지 저장 장치.64. The method of claim 60,
Wherein the rechargeable battery is a lithium ion battery. 제1항 내지 제22항의 복합 재료를 포함하는 캐소드와 애노드를 갖는 에너지 저장 장치로서, 상기 캐소드는 황을 추가로 포함하고, 상기 애노드는 실리콘을 추가로 포함하는, 에너지 저장 장치. 22. An energy storage device having a cathode and an anode comprising the composite material of any one of claims 1 to 22, wherein the cathode further comprises sulfur, and wherein the anode further comprises silicon. 제62항에 있어서,
상기 에너지 저장 장치는 충전지인, 에너지 저장 장치.63. The method of claim 62,
Wherein the energy storage device is a rechargeable battery. 제62항 또는 제63항에 있어서,
상기 에너지 저장 장치는 리튬 이온 전지를 포함하는, 에너지 저장 장치.63. The method of claim 62 or 63,
Wherein the energy storage device comprises a lithium ion battery. 첨부된 명세서 및 도면에 관한 복합 재료.Composite materials according to the attached specification and drawings. 첨부된 명세서 및 도면에 관한 파티클 디스퍼션.Particle Dispersion relating to the attached specification and drawings. 첨부된 명세서 및 도면에 관한 전극.Electrodes according to the attached specification and drawings. 첨부된 명세서 및 도면에 관한 에너지 저장 장치.The energy storage device according to the attached specification and drawings. 첨부된 명세서 및 도면에 관한 충전지.The rechargeable battery according to the attached specification and drawings.
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